Modelagem, simulação e desenvolvimento da rede de microcanais de um sistema de diluição para uso na fabricação de biossensores

Abstract

Dispositivos microfluídicos e tecnologia lab-on-a-chip vêm se mostrando cada vez mais promissores. São aparelhos de micro dimensões com os quais se projetam sistemas analíticos, dispositivos biomédicos, ferramentas para química e bioquímica e sistemas para investigação fundamental, áreas crescentes de aplicações onde esses dispositivos podem ser empregados. A obtenção de gradientes de concentração bem definidos para estudos em sistemas com dimensões características na faixa de pequenos micra é um dos desafios que podem ser resolvidos por meio de dispositivos microfluídicos. Estes sistemas têm potencial para uma vasta gama de aplicações. Modificar dispositivos para microdimensões ocasiona diversos benefícios, principalmente a redução de custos. Este trabalho tem o intuito de auxiliar no desenvolvimento de biossensores portáteis para a dosagem de marcadores de câncer. Para isso foi elaborado e produzido diversos sistemas de microcanais com sistema de diluição. Durante a pesquisa foram projetados dispositivos para análises distintas. Inicialmente eles foram elaborados em AutoCAD 3D e importados no programa COMSOL Multiphysics® para realização de simulações. Após, foram redesenhados em CorelDRAW X8 para impressão de fotolitos para a construção dos dispositivos em laboratório. No laboratório foi utilizada a técnica de soft-litografia para construção dos microdispositivos em polidimetilsiloxano (PDMS). Foi utilizada Albumina de Soro Bovino (BSA) em solução tampão para avaliação da diluição e construção de gradientes de concentração. Alguns dispositivos foram projetados para verificação do comprimento necessário para mistura completa das substâncias analisadas, os quais possuíam duas entradas e duas saídas. Posteriormente foram projetados dispositivos para a avaliação do comportamento do fluido em relação à divisão do fluxo entre os microcanais, os quais puderam ser usados para verificação do comprimento de mistura novamente. Estes dispositivos foram fabricados inicialmente com duas entradas e três saídas, depois com duas entradas e quatro saídas, e finalmente, projetou-se um sistema de microdiluição contendo cinco valores de concentração de saída, indo do mais concentrado (concentração inicial de BSA) até o mais diluído (solução tampão). Como dispositivos contendo ?? saídas possuem ???2 etapas de diluição, o dispositivo com cinco saídas possui três etapas de diluição. Foi verificado que, para se obter o perfil de diluição requerido, a separação das correntes em cada etapa é mais eficiente quando possuem o formato em Y ao invés da câmara retangular observada na maioria dos trabalhos, pois assim se garante uma melhor separação do fluido. As simulações tridimensionais efetuadas por meio do programa COMSOL Multiphysics® auxiliaram muito no projeto do microssistema de diluição. Os resultados das concentrações de saída, obtidos a partir do COMSOL, para o microdispositivo contendo cinco concentrações de saída com a separação das correntes de escoamento realizadas por meio de junções de microcanais em formato Y, apresentaram grande melhora em relação ao design anterior e ficaram próximos aos resultados obtidos experimentalmente. Esse foi o sistema que apresentou os melhores resultados. O dispositivo promoveu um gradiente de concentração possibilitando a realização de leitura de concentrações bastante reduzidas. Isto indica que ele pode ser acoplado a um biossensor em arranjos de nanoburacos que visa a detecção de pequenas concentrações de marcadores. Este estudo abre portas para uma maior exploração da fluidodinâmica computacional com aplicações para sistemas biológicos e químicos

Microfluidic devices and lab-on-a-chip technology have shown to be increasingly promising. They are devices of micro dimensions with which are projected analytical systems, biomedical devices, tools for chemistry and biochemistry and systems for fundamental investigation, increasing areas of applications where these devices can be used. Obtaining well defined concentration gradients for studies in systems with characteristic dimensions in the small micron range is one of the challenges that can be solved by means of microfluidic devices. These systems have the potential for a wide range of applications. Modifying devices for microdimensions brings several benefits, especially cost savings. This work aims to assist in the development of portable biosensors for the determination of cancer markers. For this purpose, several microchannel systems with dilution system were developed and produced. During the research, devices were designed for different analyzes. Initially they were developed in AutoCAD 3D and imported into the COMSOL Multiphysics® program for simulations. Afterwards, they were redesigned in CorelDRAW X8 for printing of photolites for the construction of the devices in the laboratory. In the laboratory, the soft-lithography technique was used to construct the microdevices in polydimethylsiloxane (PDMS). Bovine Serum Albumin (BSA) was used in buffer solution for the evaluation of dilution and construction of concentration gradients. Some devices were designed to verify the length required for complete mixing of the analyzed substances, which had two inputs and two outputs. Subsequently, devices were designed to evaluate the behavior of the fluid in relation to the division of the flow between the microchannels, which could be used to check the mixing length again. These devices were initially manufactured with two inputs and three outputs, then with two inputs and four outputs, and finally a microdilution system containing five output concentration values, ranging from the most concentrated (initial BSA concentration) to the more diluted (buffer solution). As devices containing n outputs have n-2 dilution steps, the five-output device has three dilution steps. It was found that, in order to obtain the required dilution profile, the separation of the chains in each step is more efficient when they have the Y-shape instead of the rectangular chamber observed in most of the works, because this guarantees a better separation of the fluid. The three-dimensional simulations carried out through the COMSOL Multiphysics® program greatly aid in the design of the dilution microsystem. The results of the output concentrations obtained from the COMSOL for the microdevice containing five output concentrations with the separation of the flow currents performed by means of microchannel junctions in Y format showed great improvement over the previous design and were close to the results obtained experimentally. This was the system that presented the best results. The device promoted a concentration gradient allowing the reading of very low concentrations. This indicates that it can be coupled to a biosensor in nanobox arrangements that aims to detect small concentrations of markers. This study opens the door to further exploration of computational fluid dynamics with applications for biological and chemical systems