Uma Introdução sobre Materiais Microfluídicos de Diagnóstico Comuns
Impulsionado em parte pela COVID-19, o interesse no desenvolvimento e fabricação de dispositivos microfluídicos – particularmente para detecção e prevenção de doenças – acelerou muito.
A ciência e a tecnologia subjacentes ao desenvolvimento de dispositivos microfluídicos podem ser opressivas. Isso se aplica até mesmo à seleção dos materiais utilizados nesses dispositivos. Mesmo as pessoas com graduação avançada e experiência técnica buscam a especialização de terceiros:
- Quais são os materiais mais frequentemente usados no desenvolvimento de produtos microfluídicos?
- Por que esses materiais foram escolhidos?
- Quais são as vantagens de um material em relação ao outro?
Embora este artigo não forneça uma análise abrangente de cada material usado nos dispositivos microfluídicos (nem um histórico de testes e desenvolvimento de materiais), ele tem uma perspectiva fundamental e oferece orientação para uma investigação adicional.
Materiais Microfluídicos Comuns e seus Usos
Os materiais utilizados no desenvolvimento de dispositivos microfluídicos podem ter um grande impacto no dispositivo em si. Os desenvolvedores de dispositivos microfluídicos devem equilibrar várias considerações: o dispositivo deve ser de baixo custo? Facilmente reproduzível? Há necessidade de portabilidade ou descartabilidade?
Será usado em ambientes adversos? E, para acrescentar complexidade adicional, a solução do material identificada pode ser problemática para diferentes regiões devido às regulamentações nacionais sobre gestão de resíduos.
Uma ampla variedade de materiais são usados em dispositivos microfluídicos, mas os mais comuns se enquadram em três categorias básicas:
- Inorgânico
- Polímero
- Papel
Cada um desses materiais tem qualidades diferentes que devem ser consideradas no desenvolvimento de qualquer dispositivo microfluídico.
Materiais Inorgânicos para Uso em Dispositivos Microfluídicos
O silício foi o primeiro material usado em microfluídica devido a capacidades associadas à fabricação de wafer. Ele tem alta resolução estrutural 3D, alta condutividade térmica, e pode ser fabricado em membranas finas. O silício é útil para fazer estruturas dentro dos dispositivos. Tanto o silício quanto o vidro oferecem recursos de alta resolução para aplicações estacionárias versus dispositivos móveis de ponto de atendimento. Por outro lado, podem ter custos proibitivos em determinadas aplicações, devido a processos complicados de fabricação que requerem um ambiente de limpeza e dispositivos especializados.
O vidro é um material inflexível, ideal por suas propriedades ópticas e resistência a solventes e ácidos. O vidro permite uma faixa maior de temperaturas de trabalho do que os materiais de polímero e sua produção requer altas temperaturas. O vidro pode atuar como um isolador térmico. Os custos de fabricação do vidro exigem química molhada e podem ser mais altos, além de ser mais demorada.
Os dispositivos de
cerâmica podem ser produzidos a um custo menor do que o silício ou vidro. Há um certo uso de materiais cerâmicos na microfluídica, especialmente devido às altas propriedades térmicas, excelente resistência química e integridade estrutural e capacidade de atingir dimensões de recursos muito pequenas. No entanto, eles são mais frequentemente usados em aplicações eletrônicas.
Polímeros para Uso em Dispositivos Microfluídicos
Em geral, os polímeros apresentam reprodutibilidade de baixo custo. Dependendo do processo de fabricação, os polímeros podem não exigir condições de sala limpa. Uma vez que podem ser moldados em muitas formas diferentes, a maioria dos polímeros oferecem maior adaptabilidade do que outros materiais. Isso torna os polímeros preferíveis para dispositivos descartáveis de baixo custo no ponto de atendimento.
PDMS (polidimetilsiloxano) é o elastômero mais comumente usado. É conhecido por ser um excelente material de fundição. As vantagens do PDMS incluem biocompatibilidade, permeabilidade ao gás, flexibilidade, resistência aos raios UV e clareza óptica. Também é quimicamente inerte e termicamente estável. No entanto, algumas pesquisas mostraram que o PDMS pode sofrer com a absorção de solventes e colapsos de canais após a equipotencialização.
PMMA (polimetilmetacrilato) é um termoplástico transparente e de baixo custo que oferece alta resistência aos raios UV, baixa absorção de água e boa resistência à abrasão.
COC (copolímero de olefina cíclica) é um termoplástico rígido e forte. Ele tem excelente transmissão óptica (incluindo transmissão de luz dentro da faixa UV), alta resistência ao calor, excelente resistência química e é minimamente absorvente à água. Apesar de seu alto custo, é um material adequado para dispositivos microfluídicos que exigem propriedades ópticas.
PS (poliestireno) é resistente a muitos produtos químicos e tem excelentes propriedades elétricas. O PS tem sido usado em microfluídica para cultura de células e teve muitos outros usos nas áreas biológica e médica.
PC (policarbonato) é um termoplástico muito comum e altamente transparente com alta resistência ao calor, alta rigidez e resistência. No entanto, a compatibilidade química é um problema, pois halogênios, gases, alguns álcoois e a maioria dos hidróxidos podem arranhar a superfície ou até dissolver o plástico.
PTEG (polidimetilsiloxano) é um termoplástico transparente que oferece boa resistência química e a impactos.
TPE (elastômero termoplástico) é um termoplástico macio que oferece algumas das qualidades de termoplásticos e elastômeros. Esse material é feito em tiras que podem ser armazenadas sem degradação do produto por anos e tem disponibilidade imediata. Esse material oferece transparência óptica (se necessário) e biocompatibilidade para implantes e é um possível substituto para PDMS.
Hidrogéis são cadeias de polímeros com altas taxas de absorção de água que podem ser de origem animal, vegetal ou sintética.
Papel para Uso em Dispositivos Microfluídicos de Baixo Custo
O papel é uma opção portátil e de baixo custo para bioensaios de média a baixa complexidade. Pode ser útil para ensaios de fluxo lateral e tem sido usado desde pelo menos o século XVII como papel de teste nos campos químicos e biológicos.
O papel tem a vantagem da força capilar interna; portanto, não são exigidas bombas externas. Oferece uma relação superfície-volume mais alta do que a microfluídica convencional devido à porosidade do material. A microfluídica à base de papel pode ser fabricada de várias maneiras, incluindo impressão a jato de tinta, serigrafia, impressão 3D e dobragem de papel, normalmente com o objetivo de criar uma barreira hidrofóbica. Uma desvantagem potencial do uso de papel é a contaminação do reagente durante o armazenamento ou transporte devido ao design do canal aberto.
