Técnica de Imagem Frugal de Fluxo Capilar através de Pós de Impressão Polimérica Tridimensional

Resumo

A técnica proposta fornecerá uma abordagem nova, eficiente, frugal e não invasiva para a imagem do fluxo fluídico através de um leito de pó embalado, produzindo alta resolução espacial e temporal.

Resumo

O desenvolvimento de novas técnicas de imagem de transporte molecular e coloidal, incluindo nanopartículas, é uma área de investigação ativa em estudos microfluídicos e milifluídicos. Com o advento da impressão tridimensional (3D), um novo domínio de materiais surgiu, aumentando assim a demanda por novos polímeros. Especificamente, os pós poliméricos, com tamanhos médios de partículas da ordem de um mícron, estão experimentando um interesse crescente das comunidades acadêmicas e industriais. O controle da sintonia do material nas escalas de comprimento mesoscópica a microscópica cria oportunidades para desenvolver materiais inovadores, como materiais gradiente. Recentemente, a necessidade de pós poliméricos do tamanho de mícrons tem crescido, à medida que aplicações claras para o material estão se desenvolvendo. A impressão tridimensional fornece um processo de alto rendimento com uma ligação direta a novas aplicações, conduzindo investigações sobre as interações físico-químicas e de transporte em mesoescala. O protocolo discutido neste artigo fornece uma técnica não invasiva para o fluxo de fluido de imagem em leitos de pó embalados, proporcionando alta resolução temporal e espacial, aproveitando a tecnologia móvel que está prontamente disponível a partir de dispositivos móveis, como smartphones. Ao utilizar um dispositivo móvel comum, os custos de imagem que normalmente estariam associados a um microscópio óptico são eliminados, resultando em uma abordagem de ciência frugal. O protocolo proposto caracterizou com sucesso uma variedade de combinações de fluidos e pós, criando uma plataforma de diagnóstico para imagens rápidas e identificando uma combinação ideal de fluido e pó.

Introdução

O jateamento de aglutinante à base de jato de tinta em mídia de pó representa uma tecnologia importante na manufatura aditiva (impressão 3D). O processo de jateamento do aglutinante começa com a deposição de fluidos funcionais em mídia de pó usando um processo de impressão a jato de tinta de digitalização. Especificamente, uma cabeça de impressão a jato de tinta se traduz sobre a superfície do pó, depositando o agente de ligação líquido em uma superfície de pó e, assim, formando uma parte sólida de forma camada por camada¹. As tecnologias de jato de aglutinante baseadas em jato de tinta geralmente incluem areia, pós metálicos e pós poliméricos. No entanto, para expandir o espaço dos materiais no jateamento de ligantes, é necessária uma abordagem fundamental para investigar as interações fluido-pó e pó-pó, tribologia, densidade de embalagem de pó e agregação de partículas. Especificamente, para interações fluido-pó, existe uma necessidade crítica para a capacidade de visualizar o fluxo de fluido através de leitos de pó em tempo real. Isso promete ser uma ferramenta poderosa para os pesquisadores incluírem como técnica de caracterização e, potencialmente, como método de triagem para diferentes combinações de fluidos e pós ^2,3,4, bem como sistemas mais complexos^, como sistemas de impressão 3D de concreto que utilizam métodos de leito de partículas.

O desenvolvimento de novas técnicas de imagem de transporte molecular e coloidal, incluindo nanopartículas, é uma área ativa de investigação em estudos microfluídicos e milifluídicos. Sondar interações intermoleculares por técnicas de imagem pode ser um desafio, já que pouco trabalho foi feito para investigar esses tipos de interações sob as condições de fluxo de fluido insaturado e instável. Muitos dos estudos relatados na literatura têm se concentrado em um meio saturado, pré-molhado e poroso, como o grânulo de vidro 5,6,7,8,9,10,11,12 e solos 13,14,15,16,17,18 . Essa técnica proporciona uma abordagem não invasiva, resultando em alta resolução temporal e espacial 2,3,4,19. Além disso, a técnica desenvolvida fornece um novo método para caracterizar e quantificar o transporte de partículas em nanoescala e em escala mícron em uma variedade de meios porosos, com foco em pós poliméricos.

A técnica proposta utiliza um dispositivo móvel para registrar o transporte fluídico insaturado e instável através de meios poliméricos porosos com dimensões de partículas que são representativas dos pós usados em sistemas de impressão 3D que utilizam tecnologias de fusão fluídica em leito de pó. Essa técnica é vantajosa, pois as células de fluxo são econômicas, reutilizáveis, pequenas e de fácil manuseio, ilustrando os aspectos dominantes da ciência frugal. A capacidade de implementar esses experimentos simples em um estudo de campo é muito direta, eliminando as complicações, o custo e o tempo necessários na microscopia óptica. Dada a facilidade de criar a configuração, o acesso a resultados rápidos e o número mínimo de requisitos de amostra, essa técnica é uma plataforma ideal para triagem diagnóstica.

Protocolo

1. Preparação da célula de fluxo microfluídico

NOTA: Para este protocolo, uma célula de fluxo microfluídico comercial será utilizada. Ao usar um produto comercial projetado para penetração de luz a partir de um microscópio óptico, quaisquer desafios em relação à iluminação de campo brilhante da mídia serão minimizados.

1. Comece a preparar a célula de fluxo microfluídico cobrindo a saída com parafilme para selar uma extremidade do canal, de modo que a célula de fluxo vazia possa ser embalada com pó polimérico. Antes de iniciar o experimento, confirme se o canal microfluídico está limpo e seco.
   1. Cole a régua métrica de papel diretamente abaixo do canal de fluxo.
   2. Pesar a célula de fluxo microfluídico com o parafilme e a régua ligada. A massa da célula de fluxo é a massa da célula de fluxo descompactada (m_u).

2. Embalando o pó no canal

1. Ao embalar o pó, use uma pipeta de plástico para transferir o pó. Observe que as partículas podem aderir ao exterior da ponta da pipeta, o que é resultado do tribocharging.
   1. Ao introduzir o pó no canal, toque na célula de fluxo pelo menos cinco vezes para compactar o pó. Continue embalando até que o pó atinja o início da abertura do canal de fluxo.
      NOTA: Tocar compacta o pó dentro do canal com o objetivo de fornecer uma ferramenta de diagnóstico reprodutível. Para certas aplicações, esse esforço pode ser um nível mais alto, menor ou equivalente de compactação em pó do que a compactação observada na aplicação de interesse. Se houver problemas com a reprodutibilidade da torneira ou com o pó de embalagem dentro da aplicação, considere a realização da norma ASTM D7481-18²⁰.
   2. Remova o pó presente na superfície externa da célula de fluxo com um lenço embebido em álcool.
      NOTA: Alguns tipos de partículas podem ser hidrofóbicos, de modo que a água pode não remover bem as partículas.
2. Uma vez que os pós são embalados, inspecione visualmente a célula de fluxo para pó embalado frouxamente. Se o pó dentro da célula de fluxo aparecer embalado frouxamente (Figura 1), toque na célula de fluxo mais cinco vezes. Se a embalagem do pó parecer consistente e compacta, pesar a célula de fluxo para medir a massa do pó polimérico (m _p- m_u; ver Equação 1).
   1. Calcular a densidade de embalagem aparente (ρ) utilizando a diferença entre a massa da célula de fluxo não embalada (m _u) e a massa da célula de fluxo embalada (m_p) e dividindo-a pelo volume da célula de fluxo. O volume da célula de fluxo é então conhecido [comprimento (l): 50 mm, largura (w): 5 mm, profundidade do canal (h): 0,8 mm].
           Eq 1
   2. Confirmar se a densidade de embalagem está na faixa típica de 0,45 g/mL a 0,55 g/mL para pós poliméricos 2,3,4,21. Deixe as células de fluxo no exaustor até que as etapas 3 e 4 sejam concluídas.
      CUIDADO: Partículas com diâmetro inferior a 10 μm podem penetrar nos pulmões e potencialmente entrar na corrente sanguínea, o que pode causar problemas de saúde relacionados aos sistemas pulmonar e cardiovascular. Os pós poliméricos que foram utilizados neste experimento têm um diâmetro de partícula de aproximadamente 50 μm. Portanto, a inalação das partículas tem menos potencial para causar problemas de saúde, mas partículas menores estão presentes mesmo em distribuições estreitas de tamanho de partícula. Para o ambiente mais seguro, a preparação das células de fluxo deve ser feita em um exaustor.

3. Preparação do solvente

1. Preparar uma solução a 75 % em peso de etanol em água. Note que o solvente será referido como o fluido no resto deste manuscrito.
   CUIDADO: Certifique-se de que o copo usado para preparar a solução esteja livre de surfactantes, pois os surfactantes afetarão os resultados.

4. Preparando a mesa de luz branca

1. Para evitar inundar o detector (câmera) com muita luz, cubra a mesa de luz com um material opaco, como uma tampa impressa em 3D em filamento de ácido polilático preto (PLA) (Figura 1 Suplementar). Certifique-se de que o material tenha uma abertura do tamanho do microcanal (5 mm x 55 mm) para permitir que a luz ilumine o pó.
   NOTA: Muita luz significa que a tela ou o monitor da câmera aparecerá branco e o microcanal não será visível. Portanto, o detector será incapaz de focar a lente no microcanal.
2. Para garantir que a câmera do dispositivo móvel possa capturar o contraste entre o pó úmido e seco, use a mesa de luz em uma intensidade de luz baixa a média.
   NOTA: A intensidade da luz elevada é de 100%. As outras duas configurações são relativas à alta intensidade da luz; a configuração para baixa intensidade de luz é de ~30%, e a intensidade de luz média é de ~65%.
3. Alinhe a câmera no dispositivo móvel diretamente acima da mesa de luz. Confirme se a câmera está perpendicular à parte superior da tabela de luz (Figura 2).
4. Oriente a câmera no dispositivo móvel para que o eixo longo do dispositivo móvel se alinhe com o eixo mais longo da célula de fluxo.

5. Iniciando o experimento

1. Coloque a célula de fluxo na mesa de luz e foque a câmera no dispositivo móvel no canal de fluxo.
   NOTA: Para obter os melhores resultados, um espaço de gravação mais escuro (iluminação aérea reduzida) normalmente fornecerá melhor resolução de imagem. Se um espaço escuro não estiver disponível, minimizar as mudanças na iluminação aérea (luzes sendo ligadas, desligadas ou escurecidas) durante a gravação deve melhorar os sinais gráficos e minimizar o ruído indesejado no experimento.
2. Depois de focar a câmera no dispositivo móvel, selecione o botão gravar. Adicione 125 μL de fluido à entrada aberta do microcanal usando um pipeta.
3. Registar o caudal durante 2 minutos ou até que todo o pó esteja molhado visivelmente.

6. Analisando os dados

1. Transfira o arquivo de vídeo do dispositivo móvel para o computador para facilitar o acesso. Observe que vídeos com mais de 2 minutos podem não ser carregados no software no momento, pois o tamanho do arquivo pode ser excessivamente grande.
2. Baixe Tracker, um software gratuito do site Physlets²². Este software pode rastrear posição, velocidade e aceleração nos seguintes arquivos de vídeo: .mov, .avi, .mp4, .flv, .wmv, etc. Para as etapas a seguir, consulte Arquivo Suplementar.
   NOTA: Para usuários de Mac, instale a versão mais recente do software para que o software funcione corretamente. Além disso, os usuários de Mac podem exigir um mecanismo de vídeo (Xuggle), arquivos GIF animados (.gif) ou sequências de imagens que consistam em uma ou mais imagens digitais (.jpg, .png ou coladas da área de transferência).
3. Depois que o software estiver instalado, abra o software Tracker. No menu Arquivo , selecione Abrir arquivo para carregar o arquivo de vídeo transferido da etapa 6.1 na área de trabalho do computador.
4. Clique no ícone Configurações do clipe , que se parece com a tira de filme, para definir o Quadro inicial e o Tamanho da etapa.
   Observação : colocar o mouse sobre um ícone irá identificar o ícone.
   1. Defina o quadro inicial. O Quadro Inicial é definido como o quadro no qual o primeiro contraste (o contraste entre o pó úmido e seco) é observado.
   2. Defina o tamanho da etapa. Tamanho da etapa refere-se ao tamanho da etapa do quadro, que o software analisaria. De experimentos anteriores, o tamanho ideal do passo é 10.
5. Clique na Ferramenta de calibração, o ícone com a régua azul, à direita do botão Configurações do clipe . Em Novo, selecione Vara de calibração.
6. Para ampliar a régua no vídeo, clique com o botão direito do mouse na área a ser ampliada e selecione Ampliar na lista. Uma vez devidamente ampliado, defina o início e o fim de 1 mm na régua colada ao microcanal e Tipo 1 mm para definir a distância.
7. Clique na Ferramenta Eixo de Coordenadas, que é o ícone roxo, à direita da Ferramenta de Calibração. Defina a Origem para os eixos x e y, usando o quadro inicial ao executar esta etapa.
8. Para definir o ponto inicial de análise, crie uma Massa de Ponto. Clique em Criar e, em seguida, selecione Point Mass. Use Shift + Control para alterar o tamanho do retângulo. O ponto inicial é onde a entrada e o canal se conectam.
   NOTA: O retângulo indica o domínio, definido pelo usuário, que o software irá digitalizar para encontrar o pó úmido e seco contrastante. O limite permite que o usuário defina a região onde o ponto inicial será observado.
   1. Clique em Pesquisar em Avançar algumas vezes para verificar se o software está analisando a área correta. Se o software estiver funcionando corretamente, clique em Pesquisar e aguarde até que o software termine de analisar o vídeo. Se o software não conseguir encontrar automaticamente uma intensidade de imagem correspondente do quadro anterior para o quadro atual, o software será interrompido e aguardará que o usuário redefina a área de pesquisa.
      NOTA: Para reprodutibilidade e capacidade de comparar diferentes resultados experimentais, escolha o ponto mais rápido ou mais lento da frente de fluxo fluídico (região de contraste entre o pó molhado e seco) para cada amostra.
   2. Se um erro de análise for observado nos dados plotados ao vivo no lado direito da tela do Rastreador, clique no Ponto de Dados uma vez na etapa anterior ao ponto de dados errado. Na tela principal, modifique o local da área de pesquisa retangular vermelha para pesquisar a região de interesse e repita a etapa 6.8.1.
      Observação : se houver um erro, clique com o botão direito do mouse no ponto de dados impreciso e desmarque o ponto para análise posterior.
9. Quando a análise estiver concluída, copie e cole os resultados em uma planilha. Os resultados salvos na planilha compreendem os dados de distância e tempo.
10. Plote os dados copiados na planilha como a distância de transporte de fluido através do leito de pó em função do tempo.

Resultados

Na seção sobre análise de dados, os dados para as imagens de lapso de tempo na Figura 3 ilustram a solução de etanol a 75% em peso infiltrada no pó de policarbonato (PC). A fluoresceína foi adicionada à solução para melhorar a qualidade da imagem desta publicação. Nas imagens de lapso de tempo, o processo resolvido pelo tempo começa quando o fluido é adicionado à entrada. O tempo, t, começa assim que o fluido começa a penetrar no canal. A série de imagens demonstra...

Discussão

O protocolo fornecido é altamente dependente das características materiais das partículas escolhidas. As propriedades do material que impactam o fluxo incluem a distribuição do tamanho das partículas 2,3,4,5,11,21, a rugosidade da superfície das partículas 11, as propriedades químicas na superfície das partículas ^{2,3,4,5,11,16,21,23}

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
µ-Slide I Luer	ibidi	80191	Microfluidic flow cell
Beaker	Southern Labware	BG1000-800	Glassware
CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin	TRINSEO LLC	CALIBRETM 301-58 LT	Natural polycarbonate resin
Ethanol	Sigma Aldrich	1.00983	Solvent
Fume Hood	Kewaunee	Supreme Air LV Fume Hoods	Used with 92 FPM at 18" opening
iPhone 7 plus	Apple		Camera
Opaque 3D printed material			The CAD drawing is provided in the supplemental file
ORGASOL  2002 ES 6 NAT 3	ARKEMA	A12135	Polyamide powder
Pipet	VWR	10754-268	Disposable Transfer Pipet
Pipette	Globe Scientific Inc.	3301-200	Pipette that can hold 125 µL of fluid
Polystyrene	Advanced Laser Materials, LLC.	PS200	Polystyrene for sintering
Tracker			Video analysis and modeling tool
VariQuest 100 White Light Model 3-3700	FOTODYNE	3-3700	White light
Water			Distilled water