PROJETO, FABRICACAO E TESTE DE DISPOSITIVO

MICROFLUIDICO POR PROTOTIPAGEM RAPIDA PARA

OTIMIZACAO DE PROCESSOS DE CULTURA CELULAR

Carlos Eduardo Mendes Vieira de Carvalho

Projeto de Graduacao apresentado ao

Curso de Engenharia Mecanica da Escola

Politecnica, Universidade Federal do Rio

de Janeiro, como parte dos requisitos ne-

cessarios a obtencao do tıtulo de Engenheiro.

Orientador: Carolina Palma Naveira Cotta

Rio de Janeiro

Marco de 2018

PROJETO, FABRICACAO E TESTE DE DISPOSITIVO

MICROFLUIDICO POR PROTOTIPAGEM RAPIDA PARA

OTIMIZACAO DE PROCESSOS DE CULTURA CELULAR

Carlos Eduardo Mendes Vieira de Carvalho

PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO

DE ENGENHARIA MECANICA DA ESCOLA POLITECNICA DA UNIVERSI-

DADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NE-

CESSARIOS PARA A OBTENCAO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECANICO.

Aprovado por:

Presidente da Banca Avaliadora:

Prof. Fernando Pereira Duda, D.Sc.

Coorientador:

Prof Paulo Emılio Correa Leite, D. Sc.

Examinador:

Prof. Fabio Luiz Zamberlan, D.Sc.

Examinador:

Prof. Atila Pantaleao Silva Freire, D.Sc.

Rio de Janeiro

Marco de 2018

ii

iii

“Science isn’t about why! It’s about why not!”

Cave Johnson, Portal 2

.

iv

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Escola Politecnica - Departamento de Engenharia Mecanica

Centro de Tecnologia, bloco G, Sala G-202, Cidade Universitaria

Rio de Janeiro - RJ CEP 21945-970

Este exemplar e de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que

podera incluı-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar

qualquer forma de arquivamento.

E permitida a mencao, reproducao parcial ou integral e a transmissao entre bibli-

otecas deste trabalho, sem modificacao de seu texto, em qualquer meio que esteja

ou venha a ser fixado, para pesquisa academica, comentarios e citacoes, desde que

sem finalidade comercial e que seja feita a referencia bibliografica completa.

Os conceitos expressos neste trabalho sao de responsabilidade do(s) autor(es).

v

DEDICATORIA

Dedico, primeira e principalmente, aos meus pais que sempre me motivaram, apoi-

aram e tornaram tudo o que alcancei possıvel. Por isso, ofereco a Maria Aparecida

Mendes Vieira de Carvalho, minha mae, e Carlos Vieira de Carvalho Filho, meu pai,

este trabalho que e fruto de todo o esforco investido por eles em mim.

Juntamente a meus pais, este trabalho destina-se tambem a minha avo, Waldina

Costa Velho Mendes, que apesar de todas as dificuldades sempre manteve uma forca

inigualavel e fez com que minha famılia sempre se mantivesse unida acima de tudo.

vi

AGRADECIMENTO

Agradeco a minha famılia que sempre me ajudou e proporcionou as melhores

condicoes possıveis para que eu conseguisse ser bem sucedido. A minha namorada,

Raissa Bergamini, que revisou e ajudou a escrever diversas vezes o trabalho que aqui

se apresenta, alem de melhorar cada dia que a tenho comigo.

Em especial, agradeco pela orientacao, nao so durante o projeto final mas desde

o terceiro perıodo de faculdade, da Professora Carolina Cotta que sempre se mos-

trou atenta e envolvida nos projetos que desenvolvi em seu laboratorio. Tambem

agradeco a orientacao do Professor Paulo Emılio que me disponibilizou juntamente

da Professora Carolina um tema tao inovador e enriquecedor.

Agradeco tambem aos meus amigos de faculdade, Pedro, Iago, Deborah, Lucas,

Yuri, Bruna, Vinicius, Felliphe, Luma, Caio e Rafael que tornaram todo o ambiente

muito mais suportavel durante todos esses 6 anos. Sou grato pela Universidade

que faco parte por ter me disponibilizado todo tipo de dificuldade possıvel e, dessa

forma, ter me feito uma pessoa muito mais forte e resistente.

Aos colegas de laboratorio, Ivana, Jordana, Gabriel, Mylena, Kelvin e todos os

demais, muito obrigado por toda ajuda e por terem sido companheiros de laboratorio

sempre tao agradaveis e prestativos.

Enfim, a todos que me auxiliaram nessa longa jornada de alegrias, desesperos e

autoconhecimento que foi a faculdade.

vii

Resumo do Projeto de Graduacao apresentado a Escola Politecnica / UFRJ como

parte dos requisitos necessarios para a obtencao do grau de Engenheiro Mecanico.

PROJETO, FABRICACAO E TESTE DE DISPOSITIVO

MICROFLUIDICO POR PROTOTIPAGEM RAPIDA PARA

OTIMIZACAO DE PROCESSOS DE CULTURA CELULAR

Carlos Eduardo Mendes Vieira de Carvalho

Janeiro/2018

No processo de cultura celular, sao utilizados metodos manuais que demandam

constante atencao por parte do pesquisador e apresentam exatidao limitada a pre-

cisao humana. Para otimizar esse processo, a interface entre microfluıdica e biologia

se mostrou bastante promissora e motivos como baixas vazoes, facil automatizacao e

a necessidade de dispositivos compactos favoreceram ainda mais o desenvolvimento

desse estudo.

O atual trabalho idealiza, fabrica e testa um modelo de dispositivo para tornar

os processos de cultivo celular mais eficientes, economizando tempo e insumos dos

pesquisadores interessados. O desenvolvimento do dispositivo envolveu o estudo dos

diversos parametros de fabricacao e analises de limitacoes das tecnicas adotadas.

Grande parte do sistema foi fabricada com o uso de uma impressora 3D nos materiais

TRITAN R© HT e PLA, isso devido a sua geometria complexa e necessidade de se

autoclavar todos os componentes do sistema.

Com o fim de fabricar o dispositivo de forma viavel e otimizada, diversos prototipos

foram produzidos e aperfeicoados ate alcancarmos o sistema final. Tal modelo le-

vou em conta, alem da revisao bibliografica, todos os outros prototipos de teste

anteriores a ele. Alem disso, testes com agua e corante tambem foram realizados

para averiguar a estanqueidade do conjunto e garantir que futuramente nao havera

vazamentos comprometendo sua atividade fim.

Palavras-Chave: Microfluıdica, Impressao 3D, Cultura Celular, Microbiologia,

GTMax3D CoreAB 400, TRITAN R© HT, PLA.

viii

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment.

of the requirements for the degree of Engineer.

DESIGNING, MANUFACTURING AND TESTING OF 3D PRINTED

MICROFLUIDIC DEVICE TO OPTIMIZE CELLULAR CULTURE

PROCESSES

Carlos Eduardo Mendes Vieira de Carvalho

January/2018

Most of cellular cultures have been performed using unsophisticated methods that

demand constant monitoring from the researchers, introducing human errors to the

process and limiting its precision. In order to optimize this kind of experiment,

the microfluidic and biology interface turned out to be a promising alternative.

Small flow rates, easy automation and the need of compact devices are some of the

motivations for this study.

The current study designs, manufactures and tests a device to achieve more ef-

ficient cellular culture processes, saving researchers’ time and resources. Its deve-

lopment involved the study of several manufacturing parameters and the analysis of

limitations from its fabrication techniques. The device was mostly 3D printed by a

model GTMax3D CoreAB 400, using the materials TRITAN R© HT and PLA due

to the device’s complex geometry and the material’s thermo-mechanical properties.

Aiming to manufacture a viable and optimized device, several prototypes have

been produced and improved until the final system model was achieved. This model

considered the literature review and all previous tested prototypes before it. Besi-

des that, experimental tests using water and dye were also performed to ascertain

the set’s watertightness and ensure that future leaks would not compromise future

activities.

Key-Words: Microfluidics, 3D Print, Cellular Culture, Microbiology,GTMax3D

CoreAB 400,TRITAN R© HT, PLA.

ix

SIGLAS

ABNT - Associacao Brasileira de Normas Tecnicas

FDM - Modelagem por Deposicao de Filamento Fundido

HUAP - Hospital Universitario Antonio Pedro

iPSC - Celulas pluripotentes induzidas

PDMS - Dimetil polissiloxano

PLA - Poliacido lactico

RGB - Red, Green and Blue

SLA - Estereolitografia

STL - Standard Tessellation Language

UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro

UPC - Unidade de Pesquisa Clınica

x

Sumario

1 Introducao 1

1.1 Microfluıdica e suas Aplicacoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Processo de Cultura Celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Impressao 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 Delimitacoes e Justificativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6 Descricao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.7 Revisao Bibliografica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.7.1 Microfluıdica na Biologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.7.2 Microfluıdica e Impressao 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.7.3 Contexto do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Projeto 21

2.1 Pre-Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2 Concepcao do Dispositivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3 Concepcao da Montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3 Fabricacao 30

3.1 Fabricacao por Impressao 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2 Procedimento de Impressao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.3 Resultados das Fabricacoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4 Testes 57

4.1 Testes Fluidodinamicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

xi

5 Conclusoes e Direcionamentos 63

5.1 Conclusoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.2 Sugestoes para Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Bibliografia 70

A Tabela de parametros modificados para a fabricacao do dispositivo. 73

B Desenho Tecnico do Dispositivo 74

xii

Lista de Figuras

1.1 Microtrocador de Calor Fabricado no LABMEMS.(a)Dispositivo Aberto

(b)Dispositivo Vedado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Exemplo de microssistema fabricado em material transparente de facil

visualizacao do escoamento [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Preparo Tradicional de Cultivo de Celulas [2] . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Exemplos de tecidos Produzidos com Diferenciacao de Celulas Tronco

[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5 Diversas Geometrias para Cultivo de Celulas [4] . . . . . . . . . . . . 5

1.6 Processo de Estereolitografia Exemplificado e Esquematizado [5] . . . 7

1.7 Impressora FDM de Modelo GTMAX CoreAB 400 . . . . . . . . . . 7

1.8 Comparacao esquematizada das aplicacoes de celulas vegetais e animais. 9

1.9 Representacao Esquematica do Dispositivo em Corte Lateral com

Fluxo de Fluido Nutritivo; (a) Peca Impressa 3D, (b) Placa de Petri,

(c) O-ring de Vedacao, (d) Superfıcie contendo Celulas em Cultivo . . 10

1.10 Paralelizacao do Cultivo Celular com um Complexo de Dispositivos . 11

1.11 Manipulador Microfluıdico Automatizado de Porcoes Nanometricas

de Fluido Fabricados por Zhou et. al. [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.12 Dois exemplos de usos possıveis de micropipetas, saıda unica (a) e

dupla (b) [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.13 Exemplos de Dispositivos Microfluıdicos Integrados para Cultivo Ce-

lular Fabricados em PDMS por Mehling e Tay [7]. . . . . . . . . . . . 15

1.14 Representacao Esquematica da Influencia do Uso de Dispositivos Mi-

crofluıdicos no Consumo de Meio Nutritivo; (a) Cultivo Celular Tra-

dicional; (b)Cultivo Celular com Uso de Microdispositivo. . . . . . . . 17

xiii

1.15 Microssistema Fabricado por Impressao 3D [8];(a) Visualizacao Geral

do Sistema; (b) Perfilometria de Seccao Transversal Qualquer Pre-

Selagem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.16 Distribuicao Media RGB Normalizada Transversal na Imagem do Ex-

perimento de Gaal et. al. [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1 (a) Dispositivo Preliminar desmontado. (b) Dispositivo Preliminar

parcialmente montado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2 Primeiro conceito de dispositivo observado sob vistas frontal e isometrica

em corte transversal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3 Primeiro conceito de dispositivo observado sob vista isometrica ex-

plodida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4 Ampliacao nos pontos da geometria de maior influencia sobre o vo-

lume efetivo de fluido nutritivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5 Configuracao basica de fixacao aparafusada para a montagem do dis-

positivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.6 Paralelizacao dos dispositivos, utilizando-se da fixacao aparafusada. . 29

3.1 Representacao esquematica do efeito do erro por impressao sem su-

porte e de como os suportes sao aplicados. . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2 Montagem realizada com uma unica peca impressa e utilizando-se do

o-ring para definir a altura do volume de cultura. . . . . . . . . . . . 33

3.3 Geometria de dispositivo otimizada para o menor tempo de impressao

e consumo de material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.4 (a) Exemplo de microscopio invertido, ferramenta usual em labo-

ratorios de microbiologia.(b) Representacao esquematica do conjunto

que deve ser preparado para se realizar o monitoramento da cultura

estudada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.5 Montagem individual final objetivada pelo projeto desse trabalho. . . 36

3.6 Torres de temperatura fabricadas em PLA, ABS e TRITAN, respec-

tivamente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.7 Tela inicial do software Simplify 3D com peca devidamente posicio-

nada no centro do plano de impressao. . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

xiv

3.8 “Extruder”e a primeira aba com parametros crıticos para a fabricacao

da peca em questao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.9 Em “Layer”, tem-se a segunda aba com parametros crıticos para a

fabricacao da peca em questao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.10 Aba “Infill”, terceira aba com parametros crıticos para a qualidade

da peca fabricada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.11 Padroes de preenchimento interno para pecas impressas utilizando-se

da tecnica FDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.12 Padroes de preenchimento externo para pecas impressas utilizando-se

a tecnica FDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.13 Aba “Temperature”, quarta aba com parametros crıticos para a qua-

lidade da peca fabricada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.14 Aba “Speeds”, quinta aba com parametros crıticos para a qualidade

da peca fabricada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.15 Imagem dos componentes dispostos lado a lado para a montagem do

conjunto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.16 Conjunto de estagio unico devidamente montado ainda sem estar li-

gado a qualquer bomba ou mangueira. . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.17 Representacao esquematica da comparacao entre o comportamento

real e ideal do formato dos microcanais fabricados por manufatura

aditiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.18 Imagem de uma peca recem impressa com a falha por rasgamento da

pelıcula da base. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.19 Microscopias tiradas da porcao final do microcanal. . . . . . . . . . . 53

3.20 Formatos dos rebaixos fabricados para o o-ring responsavel pela vedacao

do dispositivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.21 Foto de uma peca recem fabricada com o defeito de carbonizacao local. 55

3.22 Guia de plastico responsavel por levar o filamento da entrada ate o

bico extrusor, tambem causadora do mal funcionamento da maquina. 56

4.1 Conjunto devidamente montado, incluindo ambas as bombas de se-

ringa de injecao e de remocao sob vista frontal. . . . . . . . . . . . . 57

xv

4.2 Fotografia demonstrando o teste manual realizado apos a fabricacao

de cada peca. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.3 Conjunto devidamente montado, incluindo ambas as bombas seringa

de injecao e de remocao sob vista superior. . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.4 Indicacao da ordem aconselhada de aperto das porcas na montagem. . 60

4.5 Imagem com a demonstracao pratica do fluxo no interior do disposi-

tivo durante a fase transiente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.1 Imagem do teste bem sucedido apos aplicacao dos ajustes propostos

nesse trabalho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.2 Comparacao entre os conjuntos de estagio unico e multiplo. . . . . . . 65

5.3 Disposicao planejada idealmente para a realizacao do processo de cul-

tivo celular com uso de um frigobar e tres dispositivos simultaneamente. 66

5.4 Dispositivo fabricado com dois materiais distintos, possibilitando maior

controle na altura da regiao de cultivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

xvi

Lista de Tabelas

1.1 Requisitos basicos ou desejaveis para o processo de cultivo celular [7] 16

2.1 Potenciais melhorias proporcionadas por dispositivos microfluıdicos

automatizados semelhantes ao desse trabalho em diferentes areas de

interesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1 Faixas de temperaturas operacionais recomendadas para as maquinas

de impressao 3D convencionais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2 Lista de componentes necessarios para a montagem de um conjunto

com ‘n’ dispositivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3 Valores medidos e calculados para a area, perımetro e diametro equi-

valente dos microcanais de diametro nominal 1.5mm. . . . . . . . . . 54

A.1 Parametros modificados para a fabricacao do dispositivo. . . . . . . . 73

xvii

Capıtulo 1

Introducao

Neste capıtulo serao introduzidos os temas abordados durante todo o projeto, suas

ligacoes entre si e o atual cenario que possibilitou o desenvolvimento do dispositivo

em questao.

1.1 Microfluıdica e suas Aplicacoes

Microfluıdica e a ciencia que estuda a dinamica de diminutos volumes de fluido em

microdispositivos que contem microcanais, microcavidades ou meios porosos cujas

dimensoes apresentam grandezas micrometricas.

As aplicacoes dessa area do conhecimento ja sao muitas e de abundante variedade.

Interfaces com temas relacionados a engenharia mecanica, quımica, bioengenharia,

nano e microtecnologia ja sao realidade, assim como microrreatores de biodiesel,

micromisturadores, microtrocadores de calor e muitos outros exemplos que tambem

podem ser listados como aplicacoes ja presentes em laboratorios deste campo.

Muitos microdispositivos, vide Figura 1.1, servem como versoes miniaturizadas de

sistemas complexos da escala macroscopica. Dessa forma sao obtidas diversas vanta-

gens ao diminuirmos suas dimensoes. Ha uma economia substancial na quantidade

de material gasto em experimentos, o tempo de resposta de sistemas microfluidicos

e menor quando comparado a sistemas convencionais e o espaco ocupado e mınimo,

possibilitando grandes quantidades ao paraleliza-los em espacos limitados.

1

Figura 1.1: Microtrocador de Calor Fabricado no LABMEMS.(a)Dispositivo Aberto

(b)Dispositivo Vedado.

De acordo com “The origins and the future of microfluidics”[9], a microfluıdica

possui quatro predecessores, sendo eles a analise molecular, biodefesa, biologia mole-

cular e microeletronica. Isso torna claro que ate mesmo as areas que a antecederam

sao areas relativamente recentes, essas datando do inıcio ou metade do seculo XX.

Apesar do pouco tempo de existencia, aparatos complexos ja sao fabricados de for-

mas simples, como demonstra a Figura 1.2.

Figura 1.2: Exemplo de microssistema fabricado em material transparente de facil

visualizacao do escoamento [1].

2

Outra informacao tambem presente no mesmo artigo [9] e que problemas prove-

nientes do fato da microfluıdica ser uma ciencia recente sao comuns nos projetos da

area. O foco em aplicacoes iniciais e o desenvolvimento de estrategias para se com-

pletar o ciclo de desenvolvimento e comercializacao requerem solucoes imaginativas,

modestas ou ate mesmo banais.

1.2 Processo de Cultura Celular

Cultura celular ou cultura de celulas e o processo de cultivar e/ou desenvolver

celulas animais ou vegetais em um ambiente controlado. Geralmente, o cultivo visa

avaliar o comportamento da populacao estabelecida em alguma condicao especıfica

ou o uso direto das celulas para algum outro fim posterior.

A avaliacao do sistema de cultivo pode ser feita analisando-se os produtos secre-

tados no meio, a velocidade com a qual as celulas se reproduzem, a maneira que se

desenvolvem e inumeras outras formas, dependendo do objetivo do teste.

Figura 1.3: Preparo Tradicional de Cultivo de Celulas [2]

Os usos da cultura celular sao tao abrangentes quanto a variedade de tipos ce-

lulares a serem cultivados. Culturas de celulas animais, por exemplo, podem ser

estudadas com o fim de se entender seu comportamento fisiologico e bioquımico, a

3

resposta dos sistemas a diversos compostos quımicos ou ate mesmo a combinacao

de celulas de tipos diversificados para a criacao de tecidos artificiais [10].

A industria farmaceutica e a industria de cosmeticos sao grandes interessados

nessa tecnologia, ja que com o passar dos anos a legislacao de diversos paıses vem

sendo cada vez mais rigorosas quanto a testes em animais. Isso abre caminho para

testes com uso de celulas, sendo esta uma alternativa ao uso de animais e tambem

mais viavel.

Alem das novas preocupacoes com o meio ambiente, o crescimento das aplicacoes

de tecidos criados a partir da diferenciacao de variadas celulas fez com que o processo

de cultura celular ganhasse ainda mais importancia. Com isso, os metodos atuais

sofrem o risco de nao atenderem suficientemente bem as demandas requeridas por

um mercado com largas escalas de producao.

Figura 1.4: Exemplos de tecidos Produzidos com Diferenciacao de Celulas Tronco

[3]

O cultivo de celulas tronco, pesquisas de terapia celular e clonagem sao assun-

tos altamente relacionados e muito discutidos atualmente dentro e fora do meio

cientıfico [11]. Isso se deve aos seus aspectos eticos ainda polemicos e ao potencial

4

de contribuir para o desenvolvimento de estrategias eficientes para o tratamento de

doencas degenerativas, muitas vezes letais ou gravemente incapacitantes [12].

A definicao das tecnicas pelas quais as celulas serao cultivadas depende das dife-

rentes categorias de celulas existentes. Celulas em cultura possuem caracterısticas

relativamente proximas aos seus tecidos de origem, podendo ser aderentes ou nao

aderentes [13]. Isto e, algumas celulas precisam de adesao a uma superfıcie de con-

tato para iniciar sua proliferacao enquanto outras realizam o seu ciclo em suspensao

no meio nutritivo.

Celulas aderentes necessitam de ancoragem para sobreviver e, quando em cultura,

se estendem por todo o fundo da superfıcie de cultivo formando o que e chamado

de monocamada celular. Celulas nao aderentes encontram-se principalmente na

circulacao sanguınea podendo ser cultivadas em suspensao no meio de cultura. As

tecnicas de cultivo para os dois tipos de celula sao diferentes e ate mesmo requerem

materiais distintos quando as celulas sao aderentes ou nao aderentes. Nesse estudo

serao consideradas apenas celulas aderentes.

No atual momento, cultivar celulas e um processo, em sua maioria, manual de-

mandando tempo dos pesquisadores envolvidos. Alem disso, como o processo e

manual, nao sao procedimentos livres de erros operacionais podendo resultar em

contaminacoes. Tentando otimizar o metodo de cultivo celular, variados tamanhos

e geometrias para os recipientes de meio nutritivo foram introduzidos, apesar de con-

tinuarem sendo trocados manualmente. Tais alteracoes aumentam de fato a escala

do procedimento, o que esta representado na Figura 1.5.

Figura 1.5: Diversas Geometrias para Cultivo de Celulas [4]

5

A possibilidade de se automatizar o sistema abre novos caminhos para a producao

de celulas em grande escala, delegando as maquinas tarefas previamente realizadas

por humanos.

1.3 Impressao 3D

A Impressao 3D, ou Manufatura Aditiva, e uma tecnologia de fabricacao que

adiciona material de forma organizada, camada a camada, formando um objeto

tridimensional predeterminado. Limitacoes presentes em metodos tradicionais de

fabricacao sao evitadas na manufatura aditiva alem de apresentar grande disponibi-

lidade de materiais, o que a tornou uma opcao viavel para o projeto.

Diversos modelos de impressora 3D ja sao amplamente comercializados no Brasil

e no exterior possibilitando a selecao da que mais se adapta a necessidade e ao

orcamento disponıvel [14]. As principais tecnologias de manufatura aditiva presentes

nas impressoras 3D sao FDM (Modelagem por Deposicao de Material Fundido) e

SLA (Estereolitografia).

Sendo o LabMEMS um laboratorio altamente versatil, a necessidade de uma im-

pressora 3D tambem versatil se mostrou presente. Pecas e dispositivos com detalhes

micrometricos, assim como pecas de reposicao para usos gerais do laboratorio sao

dois exemplos de servicos que uma impressora deve atender no caso citado. Dessa

forma, o volume de impressao deve ser extenso, a velocidade maxima de impressao

deve ser elevada e a precisao da maquina tambem deve ser alta.

FDM, Figura 1.7, e um metodo que deposita material fundido atraves de um bico

injetor aquecido que realiza o desenho de cada camada uma apos a outra, enquanto

a SLA, Figura 1.6, utiliza de luz para solidificar uma resina fotossensıvel e assim

construir as camadas tambem de forma sequencial.

6

Figura 1.6: Processo de Estereolitografia Exemplificado e Esquematizado [5]

Apos um perıodo de analise, a impressora escolhida para os usos no laboratorio

LabMEMS foi a de modelo GTMax3D CoreAB 400, Figura 1.7. Uma impressora

de FDM nacional com 400mm de largura, profundidade, altura e consequentemente

um volume de 64.000cm3.

Figura 1.7: Impressora FDM de Modelo GTMAX CoreAB 400

7

Todos os materiais mais comuns de prototipagem rapida, como PLA, ABS e Tri-

tan, sao facilmente encontrados no mercado. Geralmente os materiais sao vendidos

como filamentos de cores variadas em rolos de um ou dois quilogramas. A maior

variacao referente aos fornecedores, fica em relacao aos precos enquanto a qualidade

geralmente se mantem.

Alem do grande volume, quando comparado as demais impressoras, a velocidade

maxima de impressao tambem e acima da media, chegando a 150mm/s. Isso pos-

sibilita a fabricacao de pecas muito complexas, como a deste trabalho, em pouco

tempo e com alta precisao.

1.4 Delimitacoes e Justificativas

Processos de cultivo celular comecaram a ser desenvolvidos durante o comeco do

seculo XX, contudo, foi por volta da decada de 1940 que a demanda por culturas

celulares em larga escala teve inıcio [10]. Tal aumento foi devido ao desenvolvimento

de diversas novas vacinas na epoca, cenario parecido com o que vivemos hoje, onde

variados tipos de novos tratamentos estao demandando celulas para serem testados.

O dispositivo desse trabalho apresenta uma delimitacao de finalidades bem ampla

onde a maioria dos processos de cultura de celulas devem ser atendidos. Casos

complexos e mais especıficos devem ser tratados separadamente, o que nao impede

que o projeto original seja usado de base para que sejam feitas adaptacoes.

Diversas vantagens em potencial podem ser exploradas atraves do uso do equipa-

mento desenvolvido no atual estudo. Por exemplo, o aumento na eficiencia do uso

de fluido de cultivo e diretamente ligado a diminuicao de gastos gerada pelo disposi-

tivo. Com uma mesma quantidade de insumos e possıvel produzir ainda mais celulas

quando comparado a metodos tradicionais de cultivo, fato de grande relevancia para

casos nos quais o custo dos insumos for muito elevado.

A automatizacao traz consigo outra ampla gama de benefıcios para os interessa-

dos no processo a ser automatizado [15]. O risco de contaminacao da cultura celular

8

durante o cultivo utilizando-se de metodos tradicionais e um ponto crıtico do pro-

cesso. Ao delegar parte da tarefa a maquinas estamos diminuindo a probabilidade

de produzirmos erros operacionais que podem comprometer todo o experimento.

Outro aspecto importante e o tempo demandado para realizar o cultivo. Com a

utilizacao do dispositivo e esperado que o processo, em sua grande maioria, ocorra

sem intervencao humana, necessitada apenas durante a montagem e a preparacao

inicial do equipamento. Tal fato possibilita o deslocamento da mao de obra espe-

cializada para outras atividades laboratoriais durante o perıodo no qual o cultivo

tradicional estaria sendo acompanhado.

Apresentando um crescente aumento no numero de aplicacoes nas ultimas decadas

[16] [17] [18], exemplificado na Figura 1.8, o projeto de um dispositivo que auxilie e

otimize o processo de cultivo celular foi muito bem aceito por pesquisadores do meio

academico que tiveram contato com a ideia durante seu desenvolvimento. Labo-

ratorios de pesquisa em faculdades e ate mesmo na industria podem ser beneficiados

com este trabalho caso o seu aperfeicoamento continue sendo realizado em futuros

projetos.

Figura 1.8: Comparacao esquematizada das aplicacoes de celulas vegetais e animais.

9

Invertendo-se os pontos de vista, as motivacoes de um engenheiro mecanico estu-

dar esse assunto podem incluir os processos de fabricacao, o desenho do dispositivo

e tambem a simulacao computacional do escoamento. Parametros como a vazao e

a pressao de fixacao do dispositivo tambem sao pontos do projeto que devem ser

estimados cuidadosamente e por isso necessitam de estudos para criar as condicoes

padrao de uso.

1.5 Objetivos

Como principal fim desse projeto de graduacao, tem-se a fabricacao e teste de

um dispositivo microfluıdico que consiga automatizar parcialmente o processo de

cultivo de celulas simples e que tambem sirva de base para conjuntos mais complexos,

almejando o cultivo de celulas mais especıficas.

Figura 1.9: Representacao Esquematica do Dispositivo em Corte Lateral com Fluxo

de Fluido Nutritivo; (a) Peca Impressa 3D, (b) Placa de Petri, (c) O-ring de Vedacao,

(d) Superfıcie contendo Celulas em Cultivo

Adicionalmente, ha o objetivo de se criar um complexo de dispositivos para pro-

duzir diversas culturas paralelamente e assim possibilitar o aumento da escala de

sua producao. Isso otimizaria ainda mais o processo, usando apenas dois atuadores

e, consequentemente, diminuindo os custos de implementacao do sistema. O tempo

gasto por pesquisadores seria drasticamente diminuıdo e o conjunto de dispositivos

se mostraria cada vez mais economicamente viavel.

10

A Figura 1.10 exemplifica um conjunto com tres dispositivos, ou tres estagios.

O numero exemplificado na Figura 1.10 foi escolhido apenas para facilitar a vi-

sualizacao e nao haver excessiva poluicao visual no esquema, o que nao limita a

quantidade de dispositivos empilhados na pratica, que pode ser ainda muito supe-

rior.

Figura 1.10: Paralelizacao do Cultivo Celular com um Complexo de Dispositivos

1.6 Descricao

A disposicao do conteudo no presente trabalho e composta por quatro capıtulos,

alem da atual introducao. Primeiramente, o capıtulo de “Projeto” foca em todos

os aspectos previos a fabricacao, incluindo os estudos para um maior entendimento

dos processos especıficos durante o “Pre-Projeto”, a idealizacao de sua geometria e

demais etapas na “Concepcao do Dispositivo” e o procedimento desenvolvido para

11

a criacao da montagem do conjunto durante a “Concepcao da Montagem”.

Posteriormente, em “Fabricacao” sao explicitados todos os aspectos relevantes

para a etapa em que sera produzido, de fato, o dispositivo. Abrangendo desde a

fabricacao por impressao 3D e muitos dos seus topicos ate a selagem e preparo dos

aparatos auxiliares, o capıtulo termina expondo os resultados alcancados ao longo

do desenvolvimento da fabricacao.

“Testes” e o capıtulo em que todos os experimentos realizados utilizando os dispo-

sitivos sao descritos e comentados. Testes fluidodinamicos foram realizados diversas

vezes e testes com celulas vivas foram planejados para auxiliar futuros projetos.

Essa seccao teve como principal fim validar os dispositivos e metodos de montagem

atingidos atraves do progresso do projeto.

Por fim, as conclusoes alcancadas sao dispostas no capıtulo “Conclusoes e Direci-

onamentos” assim como todas as sugestoes de trabalhos futuros para tentar chegar

a um dispositivo comercialmente competitivo e efetivamente atrativo no meio ci-

entıfico e industrial.

Inicialmente, estudos basicos sobre o processo de cultivo celular foram realizados

para se alcancar uma contextualizacao mınima no assunto. Esses estudos foram ba-

seados em artigos cientıficos [7], apostilas [13] e na troca de informacoes diretamente

com professores da area.

Apos uma acelerada introducao ao tema, o desenvolvimento da geometria do

dispositivo foi iniciada. Sabendo que a peca seria fabricada com o uso de uma

impressora 3D, as limitacoes da transicao entre modelo tridimensional e a fabricacao

foram mınimas, o que favoreceu a criacao da geometria.

Diversos prototipos foram fabricados dia apos dia beneficiando-se da facilidade

de produzi-los rapidamente, e assim foram aperfeicoados a cada tentativa. Ajustes

para considerar a retracao do material no resfriamento pos-impressao e adaptacoes

para a fixacao dos elementos de vedacao sao exemplos de mudancas necessarias para

adequar a representacao computacional a fabricacao.

12

Anterior aos testes com celulas, foi realizada uma bateria de testes com agua

natural e, por vezes, agua com corante para facilitar a visualizacao do escoamento.

Os testes preliminares objetivaram garantir que nao haveria vazamentos e que o

fluxo de lıquidos seria como o previsto em projeto.

1.7 Revisao Bibliografica

1.7.1 Microfluıdica na Biologia

Na literatura, nao e difıcil encontrar exemplos de dispositivos microfluıdicos com

aplicacoes envolvendo cultivo de celulas. Ensaios onde o custo inerente a cada

volume de insumo e tao alto que justifique o uso de equipamentos custosos sao,

geralmente, os principais focos desse tipo de estudo.

Podem ser citados o manipulador microfluıdico automatizado de porcoes na-

nometricas de fuido de Ying Zhou et. al. (Figura 1.11) [6] e os exemplos de dis-

positivos de cultivo celular integrados em PDMS de Mehling e Tay (Figura 1.13)

[7].

Figura 1.11: Manipulador Microfluıdico Automatizado de Porcoes Nanometricas de

Fluido Fabricados por Zhou et. al. [6].

13

Para Zhou et. al., tecnologias dispostas no meio cientıfico que manipulam matri-

zes celulares, incluindo o seu dispositivo, ja conseguiram posicionar e inserir celulas

em microssistemas de forma bem sucedida. Esse fato ajuda a justificar novos inves-

timentos na area, ja que e uma solucao inicial para uma das maiores problematicas

dos dispositivos microfluıdicos, a interface “world-to-chip”. Existe um futuro pro-

missor para manipuladores desse tipo, visando atender a necessidade de cultivar,

locomover e transferir celulas em diminutos volumes.

O manipulador de Ying Zhou et. al. tenta ser acessıvel para qualquer laboratorio

que necessite de tal aplicacao. Ate certo ponto, pode-se dizer que o objetivo foi

alcancado, mas ainda utiliza de motores e outros equipamentos de custo elevado

para interessados com baixo orcamento.

Para a montagem do equipamento sao necessarios um microscopio invertido equi-

pado com uma base motorizada X-Y, assim como uma micropipeta (Figura 1.12),

duas bombas peristalticas e diversas cameras para a contagem automatizada de

celulas e outras demais funcoes. O controle do sistema, que inclui a movimentacao

das bases e o bombeamento, e feito atraves de um controlador caseiro digital I/O e

um computador usual.

Figura 1.12: Dois exemplos de usos possıveis de micropipetas, saıda unica (a) e

dupla (b) [6].

E evidente que a complexidade do dispositivo gera diversas vantagens e funcionali-

dades para a area de pesquisa em questao. Por outro lado, a utilizacao, manutencao

14

e aprendizado de uso do equipamento ficam prejudicados quando se deseja realizar

funcoes mais corriqueiras, adaptacoes ou reparos.

Na Figura 1.13 temos dois microdispositivos de geometrias altamente complexas,

o superior apresentando culturas de celulas com gradientes quımicos de concentracao

por difusao e na porcao inferior um dispositivo integrado automatizado com bombas

peristalticas, canais de entrada para as celulas e canais para saıda de meio condi-

cionado. Ambos fabricados por tecnicas de litografia em PDMS, material que ja e

considerado padrao para dispositivos microfluıdicos na area de cultivo celular.

Figura 1.13: Exemplos de Dispositivos Microfluıdicos Integrados para Cultivo Ce-

lular Fabricados em PDMS por Mehling e Tay [7].

Motivados por descobertas atuais nas areas de biologia quantitativa e biologia de

sistemas, a analise individual de celulas ganhou muita importancia sobre as analises

tradicionais [7]. O avanco tecnologico de equipamentos e tecnicas tornaram possıvel

o progresso nesses topicos tao recentes.

A variabilidade, presente celula a celula, que ocorre naturalmente nos parametros

bioquımicos pode gerar resultados imprecisos ou equivocados. Isso se deve ao fato de

15

que as culturas tradicionais trabalham com valores medios das propriedades medidas,

dessa forma estao sujeitos ao ruıdo molecular estocastico e a perda de informacao

inerente ao calculo de propriedades medias.

Os dispositivos da imagem anterior exemplificam como costuma ser um dispositivo

microfluıdico para cultivo celular. Dada a geometria com dimensoes muito pequenas,

podemos afirmar com bastante confianca que o escoamento sera laminar, o que

auxilia na precisao do volume inserido no sistema. A precisao desse volume pode

chegar a escala de nano, pico ou ate femto-litros [7].

Aparatos de cultivo celular desse tipo tambem proporcionam controle preciso do

numero e da densidade das celulas dentro de delimitada area ou volume. O posici-

onamento e monitoramento individuais com alta resolucao espacial e temporal sao

pontos proporcionados por esses instrumentos que antes nao poderiam ser conside-

rados, assim expandindo as aplicacoes e pesquisas possıveis.

Dentre os dispositivos de cultivo celular ja fabricados e presentes em artigos ci-

entıficos, todos os encontrados focam em processos de altıssima precisao com os

requisitos listados na Tabela 1.1. Volumes na escala de nanolitros e trajetos na or-

dem de micrometros geram a necessidade do uso de equipamentos mais rebuscados,

com passos pequenos e praticamente sem vibracoes.

Tabela 1.1: Requisitos basicos ou desejaveis para o processo de cultivo celular [7]

Requisitos basicos para cultura celular e melhorias com o uso da microfluıdica

Requisitos Cultivo Convencional Cultivo Microfluıdico

Controle de

Gases e Temperatura

Grande volume de fluido,

tempo de resposta alto

Volumes diminutos,

controle dinamico

Adicao e

Remocao de Substratos

Troca manual e realizada

em grandes quantidades

Troca contınua e

precisa de meio

Paralelizacao de

Matrizes CelularesImpraticavel

Ja comum no

cultivo microfluıdico

Automacao do CultivoGrosseiro, caro

e complexo

Baixo custo, compacto

e de simples implementacao

16

Dessa forma, e evidente que essas ferramentas nao atendem economicamente as si-

tuacoes mais corriqueiras devido aos seus atributos complexos. Ensaios mais basicos

tambem podem ser otimizados com o uso de um dispositivo microfluıdico simples e

barato, e e nesse ponto que esse projeto mais se diferencia dos ja feitos em outros

trabalhos passados.

Utilizando-se dos fundamentos utilizados nos dispositivos ja citados, podemos nos

aproveitar de diversas vantagens inerentes a microfluıdica em dispositivos fabricados

de formas mais simples, rapida e barata. A fim de economizar no volume de fluido

nutritivo utilizado no cultivo celular, e comum o uso de meios em pequenas laminas

de fluido, assim o volume inutilizado e inumeras vezes menor do que em metodos

tradicionais, como ilustra esquematicamente a Figura 1.14.

A analise dos meios condicionados tambem e alterada por essa mudanca de con-

figuracao. A concentracao do meio varia muito mais rapidamente, ja que o tempo

necessario para que haja uma resposta sensıvel de concentracao e bem menor. O

esquema representado a seguir compara a cultura nos aparatos tradicionais e nos

microssistemas, ilustrando os fatos descritos nos dois ultimos paragrafos.

Figura 1.14: Representacao Esquematica da Influencia do Uso de Dispositivos Micro-

fluıdicos no Consumo de Meio Nutritivo; (a) Cultivo Celular Tradicional; (b)Cultivo

Celular com Uso de Microdispositivo.

17

1.7.2 Microfluıdica e Impressao 3D

Seguindo no intuito de se construir um dispositivo acessıvel, a impressao 3D foi

escolhida dentre os diversos meios disponıveis de fabricacao. Pontos como a vari-

edade de materiais e o barateamento contınuo desse tipo de tecnica influenciaram

diretamente na escolha.

A fabricacao de microdispositivos por prototipagem rapida objetivando a reducao

de custos ja esta sendo amplamente estudada, como pode ser visto nos microssis-

temas de Gaal et. al.. Dentre as vantagens de se usar a impressao 3D, ha a sua

simplicidade inerente, sua rapidez e a dispensabilidade de salas limpas, fotorresisto-

res ou fotomascaras [8]. Isso significa que com apenas uma impressora 3D e possıvel

fabricar dispositivos evitando diversas necessidades recorrentes da microfabricacao.

A impressora 3D utilizada na producao dos dispositivos citados trabalha com fi-

lamentos de PLA, fundindo-os e os depositando para gerar o modelo tridimensional

(Tecnica FDM). Sem nenhuma especificidade por parte da impressora, seus dispo-

sitivos podem ser fabricados por quase qualquer maquina FDM. Sendo necessario

apenas que haja um bico extrusor de orifıcio tao pequeno quanto 400 mıcrons e que

apresente precisao suficientemente alta dos movimentos no plano.

Na Figura 1.15, o dispositivo microfluıdico de Gaal et. al. [8] pode ser visto na

escala macro (visao geral do sistema) e micro, por perfilometria de secao transversal

da geometria real de um microcanal aberto.

Figura 1.15: Microssistema Fabricado por Impressao 3D [8];(a) Visualizacao Geral

do Sistema; (b) Perfilometria de Seccao Transversal Qualquer Pre-Selagem.

18

Como pode ser visto na imagem anterior, o formato final do canal fabricado nao

obedece padroes geometricos simples, chegando a um desvio de ate 90% do valor

da largura nominal. Esse apresenta uma configuracao levemente similar a um “V”,

mais largo proximo a superfıcie superior e mais estreito conforme se aprofunda. A

deformacao do canal se deve a elevada pressao exercida pelo material depositado

nas camadas inferiores. A fim de evitar vazamentos por entre as camadas, mantem-

se a distancia entre o orifıcio do bico e a mesa aquecida no menor valor possıvel,

parametro que aumenta a pressao responsavel pela deformacao do microcanal.

Realizar testes triviais a fim de visualizar de forma geral o sistema e um modo

eficaz de se avaliar o quao significativo e o efeito de fatores em escalas diferentes. A

partir da analise perfilometrica, foi constatado que a geometria nao e uniforme e que

as rugosidades das superfıcies nao sao insignificantes a ponto de desconsiderarmos

sua influencia no escoamento.

Uma forma simples e bem util de se averiguar o comportamento do escoamento

dentro dos microcanais e escoar simultaneamente corantes de cores diferentes dentro

dos dispositivos. Aproveitando-se da transparencia relativa das pecas impressas,

podemos avaliar facilmente o quao afetado esta sendo o escoamento, assim podemos

desconsiderar ou nao os fatores da escala micro, como rugosidade e a geometria

irregular. Na Figura 1.16 vemos o resultado de uma analise do experimento da

Figura 1.15 (a) onde foi forcado o escoamento simultaneo de corantes das cores

vermelha e verde em um microcanal.

Figura 1.16: Distribuicao Media RGB Normalizada Transversal na Imagem do Ex-

perimento de Gaal et. al. [8]

19

O grafico mostra as componentes medias de cores RGB dos pixels da imagem

captada ao longo da largura da regiao 1. O resultado dessa analise mostra uma

clara divisao entre as regioes de cores verde e vermelha, a vista disso podemos supor

que o efeito das microscopicas variacoes de forma nao alteram o comportamento

laminar esperado do escoamento.

Caso o resultado apontasse presenca de mistura, deverıamos considerar que as

irregularidades agiriam como micromisturadores passivos, o que seria positivo para

algumas aplicacoes e negativo para outras. Circunstancias como essas denotam a

importancia do processo de construcao de um modelo, tornando claro que toda

hipotese deve ser muito bem avaliada antes de posta em pratica.

1.7.3 Contexto do Projeto

Neste contexto, o presente trabalho se insere contribuindo com o desenvolvimento

de um dispositivo microfluıdico que propoe uma forma alternativa de cultivo celular,

na qual ha a possibilidade de se otimizar o gasto de insumos e tempo dos pesquisado-

res da area. Grande parte da contribuicao se torna possıvel devido as novas formas

de interacao entre os temas adotados no estudo e revisados ate aqui, valorizando a

interdisciplinariedade inerente ao projeto.

Dessa forma, usufruindo da compatibilidade dos temas, sera estudado o modo

com o qual sera fabricado o dispositivo e como sera a sua montagem para garantir

a estanqueidade do sistema. Um conjunto adequado torna possıvel estudos futuros

complementares que testem a atividade fim, o cultivo celular, e aproximem ainda

mais o projeto a uma patente de um dispositivo comercial.

20

Capıtulo 2

Projeto

O atual capıtulo e responsavel por expor o processo de idealizacao do sistema

e sua montagem levando em conta todas as exigencias para o funcionamento do

dispositivo em sua atividade fim.

2.1 Pre-Projeto

Como o processo de cultivo celular e altamente abrangente, deve ser considerado

para o projeto um caso crıtico de utilizacao que sirva de limite para a aplicacao

do dispositivo. A circunstancia crıtica de uso adotada nesse trabalho foi a cultura

de celulas pluripotentes induzidas (iPSC) humanas. As iPSC’s sao celulas trans-

formadas, geralmente a partir de fibroblastos que podem ser retiradas da pele e

processadas para apresentarem potencial de celulas tronco, contudo, demandam fa-

tores de crescimento muito caros e especıficos.

Limitada pelos metodos tradicionais de fabricacao, a geometria determinada para

o dispositivo peliminar teve de obedecer formas simples que pudessem ser fabrica-

das com ferramentas de corte como fresas e furadeiras. O material escolhido para a

fabricacao desse primeiro dispositivo foi o acrılico, pois o laboratorio dispoe de fer-

ramentas que trabalham bem com esse material, nao interfere no desenvolvimento

das celulas e apresenta baixo custo de aquisicao.

A Figura 2.1 (a) e uma foto das partes que compoem o dispositivo preliminar

fabricado no LabMEMS ainda separadas, o que inclui a placa de petri e as partes

21

superior, intermediaria e inferior do sistema. Em seguida, a Figura 2.1 (b) mostra

o mesmo dispositivo, agora parcialmente montado e faltando apenas a ligacao com

as mangueiras de entrada e saıda para estar devidamente completo.

Figura 2.1: (a) Dispositivo Preliminar desmontado. (b) Dispositivo Preliminar par-

cialmente montado.

As limitacoes impostas pela fabricacao impossibilitaram que fosse criado um

prototipo funcional para testes. Tal impossibilidade foi devido a dificuldade em

criar uma geometria que facilitasse a retirada do meio condicionado, com isso foi

estabelecida a motivacao de se alterar o metodo de confeccao do sistema de manu-

fatura subtrativa para a manufatura aditiva.

O dispositivo preliminar exposto na Figura 2.1 tem como principal problema a

dificuldade de se retirar o meio condicionado, fato que inviabiliza todo o processo de

cultivo celular. Apesar de nao ser funcional, o dispositivo serve como um primeiro

passo em direcao a um objetivo maior.

Dessa forma, o ponto de partida para o dispositivo desse trabalho foi adequada-

mente explicitado. Abaixo, na Tabela 2.1, sao listados pontos positivos da aplicacao

desse dispositivo em especıfico, estes servem de guia para o que se pretende ser

obtido ao fim do ciclo de desenvolvimento do equipamento.

22

Tabela 2.1: Potenciais melhorias proporcionadas por dispositivos microfluıdicos au-

tomatizados semelhantes ao desse trabalho em diferentes areas de interesse.

Impactos do Microdispositivo em Casos Diversos

Aspecto Sem Automatizacao Microfluıdica Com Automatizacao Microfluıdica

Ineficiencia no uso de insumos,

o que gera gastos desnecessarios

Aumento da eficiencia no

volume de insumos utilizados

EconomicoAlto custo da mao de

obra para realizar a

manutencao das culturas

Possibilidade de deslocamento da

mao de obra especializada para

outras atividades laboratoriais

Aplicacoes limitadas pela

baixa precisao na insercao

de insumos e reagentes

Ampliacao das possibilidades

de testes e diversificacao

das possıveis aplicacoes

CientıficoAquisicao lenta de dados

devido a baixa velocidade de

resposta do sistema

Menor tempo de resposta do

sistema, resultados mais

rapidamente adquiridos

2.2 Concepcao do Dispositivo

Como detalhado na seccao de Pre-Projeto, a concepcao do aparato parte da etapa

em que foi interrompida anteriormente. Tendo em maos a impressora 3D como uma

nova ferramenta disponıvel, foi possıvel voltar ao estagio de concepcao e repensar os

conceitos basicos do dispositivo.

Durante os primeiros passos, a ideia de se construir o dispositivo como uma mon-

tagem de pecas foi mantida. Em contrapartida, uma solucao para a dificuldade

na retirada do meio condicionado foi proposta na forma de uma peca anelar com

uma geometria interna distinta, representada em verde na Figura 2.2. O vao for-

mado pela geometria apresenta a serventia de atuar como um pequeno reservatorio

de sobrenadante celular contendo metabolitos e produtos secretados, no qual, com

uma pequena mangueira, e possıvel realizar a retirada dos produtos para analises

posteriores.

23

Figura 2.2: Primeiro conceito de dispositivo observado sob vistas frontal e isometrica

em corte transversal.

O funcionamento do dispositivo se da com a insercao manual de celulas nos mo-

mentos iniciais do processo e de fluido nutritivo de forma automatizada no tempo

restante. Pelo canal de acesso, a direta na Figura 2.2, os insumos sao levados ate o

centro da placa de petri, onde ha uma pequena diferenca de alturas entre a superfıcie

inferior da peca vermelha e a superfıcie superior da placa de petri. Internamente

a esse volume fechado ocorre a aderencia das celulas e, consequentemente, a re-

producao celular.

Conforme o fluido preenche o volume de cultivo, o nıvel do lıquido nas laterais

tambem se eleva, fazendo com que o fluido alcance a entrada do reservatorio de meio

condicionado e se deposite ali. O canal da esquerda tem a funcao de retirar o meio

condicionado e leva-lo a algum outro local externo ao dispositivo para estudos ou

descarte.

A disposicao de ambos os canais, entrada e saıda, nas laterais do dispositivo

sao como na Figura 2.2 devido a necessidade futura de se paralelizar a producao.

24

Caso a entrada ou a saıda fossem posicionadas nas porcoes superiores ou inferiores

impossibilitaria o empilhamento dos sistemas.

Para a automatizacao desse processo, diversos tipos de bombeamento sao aplica-

veis. Contudo, como bombas do tipo seringa sao as mais disponıveis no LabMEMS

e atendem adequadamente a aplicacao, essas foram escolhidas para o uso no atual

projeto. Por fim, sao necessarias duas para completa automatizacao do processo,

uma para injecao de fluido e outra para sua remocao.

Pode ser facilmente notado que a fabricacao dos componentes do dispositivo seria

altamente complexa para qualquer meio de fabricacao tradicional. A reentrancia,

responsavel por facilitar toda a remocao do meio condicionado, e as suavizacoes de

cantos vivos dos canais concentram a maioria das dificuldades de se fabricar um

componente com essa geometria.

Figura 2.3: Primeiro conceito de dispositivo observado sob vista isometrica explo-

dida.

Algumas caracterısticas tambem foram mantidas pela nova concepcao. O uso de o-

rings continuou sendo aplicado para a vedacao em regioes com possıveis vazamentos,

como mostra de forma mais clara a vista explodida da Figura 2.3. Tambem se

25

manteve o uso da placa de petri, trazendo a certeza de que a aderencia entre celulas

e superfıcie sera mantida sob condicoes normais.

O conceito proposto apresenta diversas vantagens quando comparado ao inicial.

A diminuicao do numero de elementos presentes na montagem ajuda a evitar ainda

mais a ocorrencia de vazamentos, apresentando menos interfaces por onde os esco-

amentos de fuga possam acontecer.

Outro exemplo e a possibilidade de se criar geometrias com curvas suaves favo-

recendo o uso de mangueiras para extracao do fluido. A facilidade na insercao de

mangueiras no interior do reservatorio de meio condicionado torna trivial a analise

de substancias metabolizadas pelas celulas, fechando por completo o ciclo percorrido

pelo fluido nutritivo.

Ate este momento, todos os parametros geometricos presentes na montagem do

dispositivo sao meramente qualitativos. Significando que ainda nao ha a preo-

cupacao de representar, por exemplo, diametros externos ou internos de o-rings

comercialmente disponıveis. As consideracoes mais especıficas serao levadas em

conta durante a etapa de fabricacao no capıtulo seguinte.

O volume efetivo de fluido sendo utilizado e principalmente funcao das dimensoes

h e H representadas na Figura 2.4. A altura H tambem e responsavel por determi-

nar a pressao interna atuante no dispositivo. Como as vazoes impostas ao sistema

sao muito baixas, e valido fazer a consideracao aproximada de que a pressao ma-

nometrica e igual, ou bem proxima, da pressao exercida por essa pequena coluna

de fluido com altura H. Esse parametro esta ligado diretamente a probabilidade de

vazamentos, ja que quanto maior a pressao interna, maior a chance da vedacao ser

comprometida.

A altura H deve ser grande o suficiente para manter sempre o reservatorio de

meio condicionado isolado do volume de cultura. Por outro lado, como as celulas

a serem depositadas dentro do volume de cultura sao de uma escala muito menor,

na pratica, nao ha um limite inferior para o valor de h desejado. Os limites do

26

parametro h sao proporcionados pela propria fabricacao das pecas, possibilitando-se

alcancar dimensoes tao pequenas quanto a precisao da maquina.

Figura 2.4: Ampliacao nos pontos da geometria de maior influencia sobre o volume

efetivo de fluido nutritivo.

No que diz respeito aos canais de entrada e saıda, os diametros de cada um

apresentam exigencias distintas. Enquanto o canal de entrada deve ser o menor

possıvel a fim de diminuir o volume de fluido inutilizado, o diametro do canal de

saıda deve ser grande o suficiente para possibilitar a passagem de mangueiras para

a extracao de fluido.

Minimizando-se ambas as alturas e o diametro do canal de entrada, e possıvel

chegar aos valores otimos para o conceito apresentado. Ate o momento, foi discutido

apenas aspectos teoricos e conceituais do dispositivo, deixando de lado qualquer

aspecto mais especıfico da fabricacao.

2.3 Concepcao da Montagem

Definir previamente como o dispositivo sera montado e outro conceito fundamental

para o funcionamento efetivo do sistema. Todo o procedimento deve ser planejado

27

com o proposito de fornecer um equipamento de facil utilizacao e nao prejudicial

para a integridade do conjunto.

Devido a presenca do o-ring entre a superfıcie superior da placa de petri e a

superfıcie inferior do dispositivo, a montagem deve ser feita pressionando-se um

contra o outro. Caso a pressao nao seja suficiente, vazamentos de fluido ocorrerao e

comprometerao todo o processo.

Tendo em mente a necessidade explicitada no paragrafo anterior, podem ser lista-

das algumas formas possıveis de fixacao para um ou mais dispositivos. Contudo, e

necessario haver a possibilidade de se optar pela utilizacao de um dispositivo indivi-

dualmente ou de um sistema mais complexo com diversas pecas em conjunto. Dei-

xando de lado as formas intermediarias que geraram resultados pouco satisfatorios,

temos na Figura 2.5 o tipo de montagem que proporcionou um sistema simples,

eficaz e flexıvel do conjunto.

Figura 2.5: Configuracao basica de fixacao aparafusada para a montagem do dispo-

sitivo.

A fixacao aparafusada do dispositivo requer apenas quatro parafusos, quatro por-

cas e duas placas. Os parafusos devem ser longos o suficiente para ultrapassar as

duas placas, considerando o espaco para posicionar o dispositivo entre elas e tambem

possibilitar o aperto das porcas. O material das placas pode ser qualquer material

razoavelmente rıgido, nesse caso foi escolhido o acrılico.

28

Comparativamente, a opcao de se montar o sistema pela fixacao aparafusada

se mostrou muito superior a todas as demais. O espaco ocupado ao se utilizar o

dispositivo desse modo e muito menor, o equipamento como um todo e bem mais

leve e a pressao aplicada pode ser variada conforme o aperto aplicado as porcas.

Outro aspecto bastante positivo da fixacao aparafusada e a facilidade de se pa-

ralelizar os dispositivos. Apenas trocando-se os parafusos por hastes roscadas de

comprimento longo o suficiente, e possıvel repetir o padrao “dispositivo,placa e

porca”quantas vezes forem necessarias para formar uma especie de torre com os

dispositivos, como mostrado na Figura 2.6.

Figura 2.6: Paralelizacao dos dispositivos, utilizando-se da fixacao aparafusada.

Com todos os detalhes conceituais devidamente explicitados e discutidos, e possıvel

agora partir para o proximo passo, a fabricacao. Juntamente com essa etapa ja e

esperado que haja reconsideracoes sobre alguns aspectos devido as questoes praticas

e limitacoes encontradas durante o processo de fabricacao.

29

Capıtulo 3

Fabricacao

O capıtulo tres demonstra o passo a passo do processo de fabricacao do sistema

e como cada parametro influencia no resultado final desenvolvendo individualmente

cada aspecto da fabricacao.

3.1 Fabricacao por Impressao 3D

A prototipagem rapida vem apresentando um grande crescimento com o passar

dos anos. Como justificativa disso, temos que boa parte desse crescimento e fruto do

barateamento das tecnologias utilizadas para construir e operar impressoras 3D. Por

outro lado, por ser uma tecnologia ainda muito recente para o grande publico, ainda

ha uma quantidade extensa de parametros e variaveis que devem ser considerados

pelo operador para a realizacao de uma fabricacao adequada.

Um ponto muito importante a ser entendido para se conhecer as limitacoes das

maquinas de impressao do tipo FDM, e a falha por impressao sem suporte. Esse

tipo de erro ocorre quando a geometria da peca a ser impressa apresenta partes sem

apoio para sustentar o material depositado.

Geometrias com formatos similares a vigas sao as principais causadoras desse tipo

de problema, ja que o espaco entre um ponto apoio e outro e maior do que o re-

comendado. O processo corre adequadamente ate a maquina comecar a imprimir

a regiao que nao possui sustentacao, fazendo com que a camada se deforme preju-

dicando a peca final ou ate mesmo que o material caia diretamente sobre a mesa,

30

comprometendo toda a operacao.

Para solucionar a limitacao gerada por esse problema, o uso de suportes removıveis

auxilia a impressora no momento da fabricacao da peca. Esses suportes sao proje-

tados com o fim de sustentar as partes necessarias, mas tambem devem ser frageis

e pouco densos para tornar facil a remocao apos a impressao. A aplicacao desses

suportes pode ser feita de duas maneiras, diretamente pelo desenho do projeto ou

por ferramentas do proprio software da impressora. Uma representacao esquematica

do uso de suportes removıveis esta apresentada na Figura 3.1.

Figura 3.1: Representacao esquematica do efeito do erro por impressao sem suporte

e de como os suportes sao aplicados.

Durante as primeiras fabricacoes, foi notado que alem do dispositivo nao apresen-

tar a necessidade de ser composto pelas duas pecas projetadas, o encaixe entre elas

nao vinha atendendo bem as suas funcoes. Concluiu-se entao que seria mais eficiente

para todo o projeto, construı-lo como uma peca unica, diminuindo tambem a quan-

tidade de o-rings utilizados. Entretanto, acompanhado dessa mudanca, gerou-se um

novo obstaculo. A altura h, demonstrada na Figura 2.4, nao podera ser fornecida

31

diretamente pela impressao, sendo assim, tal dificuldade deve ser solucionada de

alguma outra forma.

A tecnica da aplicacao de suportes removıveis e muito utilizada no meio da im-

pressao 3D e tambem foi uma alternativa considerada durante o projeto do microdis-

positivo desse trabalho. Apos a realizacao de diversos testes para tentar solucionar

tal problema, constatou-se que o uso dessa tecnica nao e aplicavel em nosso caso.

Para que a cultura celular ocorra de forma correta, as celulas devem estar aderi-

das apenas a placa de petri, sem interferencias de outras partes do dispositivo. Com

isso, a regiao inferior da peca, referente ao “teto”para as celulas, deve ser lisa para

que nenhuma celula se fixe em pontos indesejados. Por isso a exigencia do disposi-

tivo apresentar uma superfıcie inferior de baixa rugosidade conflita com o uso dos

suportes que, apos a remocao, distorcem e danificam tal regiao.

Apesar do uso de suportes na superfıcie inferior do dispositivo ter sido inviabili-

zado, ainda ha uma pequena regiao entre o volume de cultura e o deposito de meio

condicionado que tambem necessita de sustentacao extra. Como a insercao de pe-

quenos pilares dispostos em padrao circular ja solucionam essa questao e tambem

nao afetam o escoamento como um todo, nao e necessario realizar sua remocao apos

a impressao.

Formar a regiao de cultivo atraves da propria impressao e um modo de se ten-

tar alcancar o resultado desejado, porem com a limitacao imposta pela aplicacao

devemos partir para outra abordagem. Apos uma rapida analise geral, e de facil

percepcao que o o-ring restante pode adquirir mais uma funcao, a de delimitador

da altura do volume de cultivo. Isso pode ser mais facilmente visualizado na Figura

3.2.

A regiao de cultivo celular deve ser altamente controlada, em funcao disso o volume

de cultura deve ser conhecido com bastante precisao. Os o-rings apresentam grande

variedade de diametros externos e internos, seguem as normas da ABNT e tambem

sao comercialmente acessıveis. Caracterısticas que abrem muitas possibilidades para

selecionar o melhor o-ring para a aplicacao em questao.

32

Como nao ha projetos similares a esse na literatura, cada etapa realizada e um

novo teste e necessitaria de mais repeticoes variando-se os parametros a fim de se

encontrar a alternativa otima. Para se ter um projeto mais dinamico e que pudesse

ser desenvolvido no curto perıodo de tempo disponıvel, foi utilizado um modelo de

o-ring especıfico para todos os dispositivos.

Figura 3.2: Montagem realizada com uma unica peca impressa e utilizando-se do

o-ring para definir a altura do volume de cultura.

Na Figura 3.2 podem ser notados os tres pontos que foram modificados em relacao

ao ultimo modelo apresentado do dispositivo. Temos que agora a montagem do

dispositivo conta apenas com uma peca impressa, o o-ring determina a altura do

volume de cultura celular e ha tambem os pilares de sustentacao na regiao entre o

reservatorio de meio condicionado e o volume de cultivo.

A montagem do dispositivo ja e minimamente funcional na forma que encontra-se

atualmente. Entretanto, ainda ha diversos aspectos geometricos que ainda podem

ser otimizados. Porcoes da peca sem nenhuma utilidade pratica sao puramente

desperdıcios de material e tempo util de maquina, ja que a impressora gastara ambos

imprimindo essa regiao sem nenhuma finalidade.

Os proprios softwares de impressao 3D ja tentam otimizar o processo de fabricacao

apresentando formas de preenchimento mais economicas ao se formar a peca. A fim

33

de se alcancar uma geometria funcional otimizada, todo o material dispensavel foi

retirado do modelo tridimensional.

Na Figura 3.3 esta apresentada a nova geometria, com apenas o necessario para o

funcionamento do dispositivo. E possıvel notar que comparando-se o conceito inicial

ao atual, temos uma grande diminuicao do material utilizado na peca superior,

anteriormente vermelha, enquanto a peca anular, anteriormente verde, se manteve

basicamente a mesma.

Figura 3.3: Geometria de dispositivo otimizada para o menor tempo de impressao

e consumo de material.

A porcao superior da peca foi modificada ate se tornar uma diminuta tubulacao

com os suportes para auxiliar no processo de impressao e quatro apoios para uni-

formizar a pressao aplicada pelas placas de acrılico.

Desses quatro apoios, um contem a entrada para o fluido e, oposto a esse, ha a

saıda. Vale destacar que a entrada e um furo de diametro maior que o microcanal

onde sera realizado o processo de rosqueamento e posteriormente o encaixe de uma

conexao. Para uma utilizacao mais comoda da saıda do reservatorio de meio con-

dicionado, foi projetado um corte para facilitar a entrada da mangueira de coleta.

34

Todos os tipos de apoio comentados tambem sao mostrados na Figura 3.3.

Diminuir a parte central do dispositivo ate se tornar uma fina camada que separa

o meio de cultivo do ambiente externo tambem influencia na visibilidade da cultura.

Caso a peca seja fabricada com uma camada fina o suficiente, e possıvel monitorar

o crescimento das celulas sem desmontar o equipamento utilizando um microscopio

invertido. O simples conjunto para se realizar o monitoramento da cultura e de-

monstrado esquematicamente na Figura 3.4 (b) .

Figura 3.4: (a) Exemplo de microscopio invertido, ferramenta usual em laboratorios

de microbiologia.(b) Representacao esquematica do conjunto que deve ser preparado

para se realizar o monitoramento da cultura estudada.

Na Figura 3.4 (a) esta a foto de um microscopio invertido, ferramenta ideal para

se realizar o monitoramento das culturas nos dispositivos estudados nesse trabalho.

Microscopios tradicionais nao sao adequados para essa aplicacao, pois a pelıcula do

dispositivo nao e totalmente transparente, o que tornaria a imagem turva caso a

camada ficasse entre as celulas e a lente do aparelho.

Partindo-se da menor camada que a impressora consegue fabricar, a principal

dificuldade encontrada para se obter uma espessura tao fina e a etapa de remocao

do dispositivo. Etapa na qual ha altas chances de ocorrer a ruptura da fina pelıcula

e, consequentemente, o comprometimento de toda a peca.

35

Ao servir como reservatorio de meio condicionado, a geometria da peca anular

pouco pode ser alterada por ser quase que inteiramente ocupada pela regiao do

reservatorio. Por outro lado, algumas pequenas modificacoes puderam ser realizadas

a fim de aumentar a confiabilidade do dispositivo. Uma delas foi a criacao de

uma pequena conicidade na superfıcie lateral externa, auxiliando na montagem ao

aumentar a interferencia entre peca e placa de petri.

Por fim, com o modelo conceitual devidamente adaptado para um processo otimo

de fabricacao e com todas as demais observacoes necessarias ja destacadas, e possıvel

entrar no topico de procedimento de impressao e fabricar pecas para formar um

dispositivo completo como o da Figura 3.5.

Figura 3.5: Montagem individual final objetivada pelo projeto desse trabalho.

3.2 Procedimento de Impressao

O primeiro passo para se iniciar o processo de impressao e avaliar o material que

sera utilizado para a fabricacao da peca. Cada tipo de filamento para impressao

3D tem suas faixas recomendadas para as temperaturas do bico extrusor e da mesa

36

de impressao disponıveis em manuais de fornecedores ou em foruns de usuarios na

internet. A Tabela 3.1 lista as faixas de temperatura de operacao para os materiais

mais comuns presentes no mercado.

Tabela 3.1: Faixas de temperaturas operacionais recomendadas para as maquinas

de impressao 3D convencionais.

Temperaturas de Impressao (◦C)

Material Bico Extrusor Mesa Aquecida Observacoes

PLA 215 - 235 60 - 80- Uso opcional da mesa aquecida

- Camada inicial 5 a 10 ◦C mais quente

ABS 230 - 240 80 - 100- Uso da mesa aquecida recomendada

durante as primeiras camadas

TRITAN 250 - 270 90 - 100- Resistente a altas temperaturas

e esforcos mecanicos

PVA 190 - 220 40- Nao necessita da mesa aquecida

- Decompoe a 200 ◦C

As faixas, por serem amplas, servem apenas como um norte, dado que o valor

exato para se realizar uma impressao bem sucedida so e definido com a realizacao

de testes. Isso se deve ao fato de muitas variaveis externas serem relevantes para o

processo, mudando a condicao ideal de fabricacao de ocasiao para ocasiao.

Modo de armazenamento, qualidade do material, temperatura ambiente e umi-

dade do ar sao alguns dos muitos parametros que influenciam diretamente no pro-

cesso de impressao. Por esse motivo, e altamente indicado que se realize a impressao

de uma torre de temperatura antes da fabricacao da peca propriamente dita. A

criacao de uma torre de temperatura serve como um teste para se encontrar a tem-

peratura ideal especıfica para a producao da peca desejada.

A Figura 3.6 mostra tres torres de temperatura padrao, onde cada 1.0cm de

altura e impresso com temperaturas distintas variando-se do valor mınimo reco-

mendado para impressao ate o maximo. Cada torre foi projetada considerando as

faixas proprias de temperatura de cada material e sua aderencia a mesa. Esse teste

37

gera uma peca com um acabamento em cada regiao, tornando facil a comparacao e

viabilizando a realizacao da escolha do melhor parametro.

Figura 3.6: Torres de temperatura fabricadas em PLA, ABS e TRITAN, respecti-

vamente.

Para se realizar a torre de temperatura, deve ser levada em conta a aderencia entre

mesa e peca. Essa consideracao deve ser feita quando o objeto a ser impresso nao

apresenta uma base larga o suficiente para se aderir e suportar a si proprio durante

a impressao. Por isso as torre de PLA e TRITAN receberam ampliacoes de suas

bases e tambem foram impressas utilizando-se o aquecimento da mesa.

Apos as temperaturas para a realizacao da impressao serem definidas, o procedi-

mento de fabricacao propriamente dito pode ser iniciado. Os softwares comerciais

utilizados como interface entre a impressora e o computador sao chamados de fa-

tiadores, ja que convertem a peca tridimensional solida em diversas camadas ou

“fatias”para servirem de entrada para a maquina.

38

Nesse projeto, o Simplify 3D foi o software utilizado, por isso as instrucoes a

seguir foram feitas baseadas em tal programa. Os nomes dos parametros e os menus

mostrados podem ser diferentes em outros fatiadores, porem, apos uma analise um

pouco mais aprofundada, e possıvel constatar que todos sao bastante similares, tendo

apenas algumas funcoes a mais ou a menos em cada software.

Com o modelo tridimensional do corpo a ser impresso convertido para formato

STL, e possıvel introduzi-lo no programa. Posterior ao posicionamento da peca no

plano de impressao, a tela devera estar similar a Figura 3.7.

Figura 3.7: Tela inicial do software Simplify 3D com peca devidamente posicionada

no centro do plano de impressao.

A grande quantidade de parametros de impressao editaveis no proprio programa

foi uma das razoes da escolha do software Simplify 3D. Ao se clicar em “Edit Process

Settings”uma janela se abrira e entao um novo perfil de impressao podera ser criado

obedecendo aos parametros informados pelo usuario.

39

Dentro da aba “Extruder”, Figura 3.8, podemos configurar o numero de extrusores

trabalhando durante o processo de impressao caso uma peca com dois ou mais

materiais seja o objetivo final. Tal tecnica e comumente utilizada para a fabricacao

de pecas com suportes removıveis, onde os suportes sao fabricados com materiais

mais frageis ou dissoluveis em alguma solucao inofensiva para a peca principal, o

que proporciona uma peca final com melhor acabamento. Apesar de interessante,

isso nao se aplica a esse caso pois a impressora dispoe de apenas um extrusor, o que

a torna uma potencial alternativa para estudos futuros.

Outro parametro importante presente na primeira aba e a “Extrusion Multiplier”.

Variavel que relaciona os movimentos no plano xy com a quantidade de material

depositado atraves do acoplamento das rotacoes dos motores de passo da impressora.

Quanto maior o seu valor, mais material sera depositado por milımetro movimentado

no plano, resultando em pecas mais densas, porem com maior consumo especıfico

de filamento.

Figura 3.8: “Extruder”e a primeira aba com parametros crıticos para a fabricacao

da peca em questao.

40

Na aba “Layer”, Figura 3.9 e possıvel alterar diversos parametros que podem

determinar por completo o sucesso da fabricacao da peca. O parametro “Primary

Layer Height” define a altura de cada camada intermediaria de sua impressao, po-

dendo ser definida numa ampla faixa de 0.01mm a 0.2mm de altura. Uma peca com

pequena altura de camada produzira um resultado com bom acabamento, porem o

tempo de impressao podera chegar a duracoes impraticaveis.

A grande maioria dos objetos tridimensionais impressos por manufatura aditiva

apresentam padroes internos de menor densidade para diminuir o consumo de ma-

terial. A fim de se produzir um objeto aparentemente solido, as superfıcies externas

sao produzidas de forma diferente das internas, sendo essas fabricadas com preen-

chimento completo. Os parametros “Top Solid Layers”, “Bottom Solid Layers” e

“Outline/Perimeter Shells” definem quantas camadas com preenchimento completo

sao necessarias nas superfıcies superiores, inferiores e laterais da sua peca, respec-

tivamente. Como o dispositivo a ser fabricado lida com escoamentos de fluidos,

vazamentos sao considerados falhas crıticas e, por isso, o numero de entrada para

esses parametros sao relativamente altos.

Figura 3.9: Em “Layer”, tem-se a segunda aba com parametros crıticos para a

fabricacao da peca em questao.

41

Tambem na aba “Layer”, ha parametros para a impressao da primeira camada

dentro da seccao “First Layer Settings”. A primeira camada e fundamental para a

aderencia da peca a mesa, por isso uma seccao separada para tal, onde e possıvel

alterar sua altura, espessura e velocidade para alcancar o resultado esperado.

A aba “Infill”, Figura 3.10, e responsavel pelos parametros de preenchimento do

objeto a ser impresso, possibilitando a alteracao do metodo e da percentagem de

preenchimento do corpo. Dentro da seccao “General”, os parametros principais a

serem alterados sao o “Internal Fill Pattern”, o “External Infill Pattern” e o “Interior

Infill Percentage” que tambem pode ser alterado pela barra na area superior da janela

“FFF Settings”.

Figura 3.10: Aba “Infill”, terceira aba com parametros crıticos para a qualidade da

peca fabricada.

As opcoes de preenchimento interno mais utilizadas no metodo FDM de impressao

estao presentes no software Simplify 3D, mas isso nao significa que outros programas

nao sejam capazes de utilizar outros padroes. Na Figura 3.11 estao apresentados os

principais padroes de preenchimento, todos com uma percentagem de preenchimento

42

proxima a 15%. Esse valor e relativamente baixo e nao pode ser considerado para a

fabricacao do dispositivo desse trabalho, sendo 50% um valor aceitavel para o caso

em questao.

Figura 3.11: Padroes de preenchimento interno para pecas impressas utilizando-se

da tecnica FDM.

Para o preenchimentos externo, como a percentagem para essas superfıcies e de

100%, apenas duas opcoes sao dispostas no software a fim de garantir um acabamento

razoavelmente liso e contınuo na peca. Os dois padroes de preenchimento disponıveis

sao o “Rectilinear” e o “Concentric”, ambos mostrados na Figura 3.12.

Figura 3.12: Padroes de preenchimento externo para pecas impressas utilizando-se

a tecnica FDM.

43

Por fim, ambos os padroes escolhidos para esse caso foram os preenchimentos em

formato “Wiggle ” para o interno e “Rectilinear” para o externo. O padrao externo

tem pouca influencia na peca final do dispositivo, por outro lado o preenchimento

interno produzido com o padrao “Wiggle” se mostrou bastante superior aos demais.

Isso se deve ao fato de que o padrao interno escolhido junto de uma alta percentagem

de preenchimento gera, na pratica, camadas mais caoticas, impedindo a criacao de

caminhos de vazamento preferenciais para o fluido sendo escoado.

Com a finalidade de definir uma impressao eficiente, ainda restam duas abas de

parametros a serem alteradas conforme a necessidade do projeto. Para alterar as

temperaturas, tanto da mesa aquecida quanto do bico extrusor, ha a aba “Tempe-

rature”, Figura 3.13, onde e possıvel estabelecer as temperaturas de impressao para

cada camada desejada. Variar a temperatura conforme as camadas sao produzi-

das tem maior importancia para testes, vide torre de temperatura, do que para a

fabricacao de pecas em si.

Figura 3.13: Aba “Temperature”, quarta aba com parametros crıticos para a quali-

dade da peca fabricada.

44

Com importancia equiparavel a selecao de temperaturas de impressao, as velocida-

des escolhidas para a fabricacao tambem sao fundamentais para evitar falhas crıticas

durante o processo e tambem para a producao de uma peca com bom acabamento.

A aba “Speeds”, Figura 3.14, apresenta opcoes de limites para as velocidades de

impressao em seccoes especıficas, todas a partir da velocidade padrao definida em

“Default Printing Speed”.

Figura 3.14: Aba “Speeds”, quinta aba com parametros crıticos para a qualidade

da peca fabricada.

Na Tabela A.1 do Apendice A, temos os principais parametros modificados du-

rante a fabricacao por manufatura aditiva do dispositivo. Todos os demais parame-

tros nao listados devem ser considerados como os proprios valores padrao do soft-

ware Simplify3D para o determinado material. Valores como temperatura do bico e

da mesa podem variar com a qualidade do material e modelo da impressora. Devido

a essas variacoes a tabela apresenta valores sugeridos que devem ser usados como

base, e nao de forma absoluta.

45

Parte da funcao das hastes roscadas e garantir o alinhamento de todos os com-

ponentes do conjunto quando o numero de estagios chega a um alto valor. Casos

em que poucos dispositivos sejam empilhados possibilitam a utilizacao de parafu-

sos, isso motivado pelo pequeno comprimento roscado necessario para a fixacao.

Durante os testes, optou-se pela aplicacao de parafusos devido unicamente a atual

disponibilidade dessa opcao no laboratorio.

Para o conjunto como um todo, uma adequacao precisa entre os componentes e

fundamental ao se montar o sistema. Cada tipo de elemento deve ser selecionado

levando em consideracao os demais. A incompatibilidade de qualquer peca da mon-

tagem e altamente prejudicial para o funcionamento do equipamento. Na Tabela 3.2

estao listados todos os componentes para um equipamento de ‘n’ estagios e quais

compatibilidades devem existir entre as pecas para haver uma montagem adequada.

46

Tabela 3.2: Lista de componentes necessarios para a montagem de um conjunto com

‘n’ dispositivos.

Relacao de Componentes para Montagem do Dispositivo com ‘n’ Estagios

Peca Origem Material Sugerido Quantidade

Placas de

Acrılico

Placas de acrılico

comercial cortadas

a laser em placas

menores com quatro

furos especıficos para a

passagem das hastes roscadas

-Acrılico

(Facil corte nas ferramentas

disponıveis no LabMEMS)

n+1

Porcas

Sextavadas

Amplamente disponıveis

no mercado, deve estar em

conformidade com

as hastes roscadas

-Aco medio carbono

(Ou substituto mais economico)4.(n+1)

Hastes

Roscadas

Amplamente disponıveis

no mercado, deve estar em

conformidade com

as porcas sextavadas

-Latao

(Ou substituto mais economico

resistente a corrosao)

4

O-ring

Amplamente disponıvel

no mercado, dita o diametro

e a largura do rebaixo

projetado na peca impressa

do dispositivo

-Borracha

(Materiais derivados de petroleo

sao negados devido a aplicacao)

n

Peca

Impressa

Peca impressa com cuidados

especiais para um encaixe preciso

na placa de petri

-PLA

-Tritann

Placa

de Petri

Placa comercialmente disponıvel

em tamanhos variados para

tipos diversos de cultivo

-Plastico

(Placas sem especificidades)n

Conexoes

Conexoes comercialmente

disponıveis, devem estar em

conformidade com o rosqueamento

aplicado na peca impressa

- n

47

Na Figura 3.15 e apresentado um conjunto de unico estagio antes da montagem

final, no qual os componentes mostrados expostos seguiram os requerimentos apon-

tados na atual seccao do trabalho.

Figura 3.15: Imagem dos componentes dispostos lado a lado para a montagem do

conjunto.

Alem do processo de fabricacao facilmente replicavel, os elementos comprados

prontos sao tambem de facil acesso a qualquer pessoa. Fato que e mais facilmente

notado com a Figura 3.15, que mostra separadamente componente a componente do

dispositivo, incluindo o o-ring, as porcas, os parafusos e a placa de petri, todos sem

nenhuma alteracao.

3.3 Resultados das Fabricacoes

Como produto final desse projeto, ha um conjunto funcional de unico estagio

exposto na Figura 3.16. O equipamento e facilmente reprodutıvel tendo em maos

os parametros e arquivos corretos para fornecer ao software, possibilitando uma

48

fabricacao seriada. Apesar da facilidade em se reproduzir a peca, muitos ajustes e

adaptacoes foram necessarias durante o processo.

Figura 3.16: Conjunto de estagio unico devidamente montado ainda sem estar ligado

a qualquer bomba ou mangueira.

Partindo-se de uma representacao idealizada, ja e esperado que as pecas fabrica-

das, independente do metodo utilizado, sejam levemente diferentes das planejadas

em projeto. Parte da importancia de se utilizar uma impressora 3D na fabricacao

desse tipo de dispositivo e a facilidade de se produzir diversas pecas em sequencia,

o que possibilita a implementacao de pequenos ajustes a cada tentativa. A fim de

compensar a discrepancia entre o dispositivo ideal e o real, essas leves modificacoes

sao aplicadas de forma iterativa ao modelo computacional, tentando corrigir as ca-

racterısticas imprevistas no projeto.

49

Partindo-se de medidas realizadas nas placas de petri e nas conexoes disponıveis

no laboratorio, o primeiro modelo tridimensional do dispositivo foi produzido sem

levar em conta nenhum aspecto da fabricacao. A falta de um historico de dados de

fabricacoes previas na, recem adquirida, impressora e a grande variacao de compor-

tamento entre os materiais disponıveis tornaram o metodo iterativo viavel.

Como ja esperado, o primeiro dispositivo impresso nao era capaz de montar ade-

quadamente no conjunto. O problema encontrado foi o ajuste entre a peca im-

pressa e a placa de petri que, idealmente, deveriam se acoplar com uma pequena

interferencia. Durante a analise da montagem foi notado que havia folga entre os

dois elementos, inviabilizando sua utilizacao. Essa divergencia observada durante a

analise do dispositivo pode ser justificada pela retracao do material apos se resfriar

da temperatura em que saiu do bico extrusor ate a temperatura ambiente.

Devido a grande quantidade de parametros envolvidos durante o processo de im-

pressao, quantificar a distorcao da peca em relacao ao modelo ideal nao e uma

tarefa trivial. A percentagem de preenchimento da peca e um fator ja estabelecido

na literatura como o de maior influencia no comportamento do solido. De maneiras

menos impactantes, a temperatura do bico, altura de cada camada, o padrao de

preenchimento e outros parametros tambem geram imperfeicoes no produto final.

E de grande importancia salientar que a influencia de cada parametro inserido no

software e alterada ao variarmos a geometria do solido. Conforme a percentagem de

preenchimento aumenta, a retracao resultante tambem aumenta, entretanto, nao e

possıvel quantifica-la generalizadamente para diversas geometrias. Tal caracterıstica

torna a fabricacao de cada produto, dentro de uma faixa de precisao necessaria, em

um exercıcio especıfico que demanda uma analise mais aprofundada.

Outro ponto crıtico que requer atencao especial durante o ajuste de parametros de

fabricacao e a regiao horizontal do microcanal, Figura 3.17. Pela propria natureza do

processo FDM, o material ainda quente, ao ser depositado, tende a escorrer alguns

mıcrons devido a acao da gravidade, como ja comentado na seccao 3.1. Tendo

em vista que o objetivo desse projeto e construir um dispositivo com as menores

50

dimensoes possıveis, a dimensao do microcanal desejado e proxima a da deformacao

que ocorre durante a deposicao de material. A limitacao gerada por tal fenomeno

impossibilita a fabricacao de canais circulares de diametros muito pequenos.

Figura 3.17: Representacao esquematica da comparacao entre o comportamento real

e ideal do formato dos microcanais fabricados por manufatura aditiva.

Um dos requisitos exigidos para garantir a adesao das celulas cultivadas na placa

de petri e a necessidade de uma baixa rugosidade superficial na porcao inferior

da peca impressa. Como a impressora utilizada dispoe de uma mesa aquecida,

tal caracterıstica pode ser empregada para gerar uma superfıcie inferior mais lisa

do que as demais. Durante a deposicao de material, a mesa aquecida mantem a

primeira camada a uma temperatura relativamente alta durante todo o processo,

possibilitando que toda a camada de interface se acomode no vidro da base.

O proposito de se obter uma superfıcie inferior lisa foi facilmente alcancado, entre-

tanto, a necessidade dessa mesma camada ser fina e transparente entrou em conflito

com o uso da alta temperatura na mesa. Ao utilizar uma alta temperatura, a peca

e o vidro se aderem fortemente, dificultando a remocao da peca apos o fim da fa-

bricacao. O problema crıtico, referente a essa forte adesao, so e percebido durante

51

o processo de remocao da impressao. Como pode ser visto na Figura 3.18, a regiao

fina e extremamente fragil, apresentando uma chance consideravel de rasgamento da

camada. A dificuldade no processo de remocao e a maior causa de pecas refugadas,

sendo um ponto que requer mais testes e modificacoes em estudos futuros.

Figura 3.18: Imagem de uma peca recem impressa com a falha por rasgamento da

pelıcula da base.

Um dos meios de se caracterizar parte do formato final encontrado no microcanal

foi a microscopia da porcao inferior do dispositivo. A Figura 3.19 mostra que o

formato dos canais, ao menos proximo a saıda, se mantem bem proximo ao cırculo

projetado. Utilizando-se do software interno do microscopio eletronico presente no

laboratorio, foi possıvel avaliar o contorno do canal de forma bem precisa, e assim

possibilitar o calculo de um diametro equivalente para a forma real.

52

Figura 3.19: Microscopias tiradas da porcao final do microcanal.

O calculo escolhido para o diametro equivalente do microcanal e similar ao calculo

do diametro hidraulico para tubulacoes de perfil nao circular. As formulas a seguir

mostram como foi calculado cada diametro equivalente utilizando as areas transver-

sais dos casos medidos. Em seguida, a Tabela 3.3 lista os diametros dos casos que,

por projeto, mediriam 1.5mm.

Am =π.D2

eq

4→ Deq =

√4.Am

π

Supondo que a area do microcanal medida pelo microscopio fosse exatamente

circular, a formula para o calculo area seria dada pela equacao da esquerda. Re-

arranjando a equacao para deixar o diametro equivalente dessa area circular em

evidencia, temos uma equacao trivial que nos da uma estimativa do valor de cada

canal para fins praticos.

53

Tabela 3.3: Valores medidos e calculados para a area, perımetro e diametro equiva-

lente dos microcanais de diametro nominal 1.5mm.

Area Medida (µm2) Perımetro Medido (µm) Diametro Equivalente (µm)

Dispositivo 1 1136929.7 3973.7 1203.2

Dispositivo 2 1088067.2 4096.4 1177.0

Dispositivo 3 1328742.2 4152.9 1300.7

Valor Medio 1184579.7 4074.3 1227.0

Desvio Padrao 127216.4 91.6 65.2

De todo o projeto, o ponto de maior dificuldade para se construir um dispositivo

funcional foi, certamente, a vedacao do dispositivo. A criacao de um rebaixo na

peca impressa que se adeque perfeitamente ao o-ring para que o fluido escoado nao

escape, se mostrou muito mais complexo do que o esperado. Devido a natureza, ja

diversas vezes comentada, de se deformar levemente durante os momentos seguintes

a deposicao do material, a forma do rebaixo nao se mantem uniforme por toda a

sua extensao. Almejando-se alcancar um formato o mais regular possıvel, alguns

modelos de rebaixo foram projetados e fabricados.

A Figura 3.20 expoe os modelos de rebaixo que foram produzidos e avaliados

durante o desenvolvimento do dispositivo.

Figura 3.20: Formatos dos rebaixos fabricados para o o-ring responsavel pela vedacao

do dispositivo.

54

Apos a fabricacao de inumeras pecas, a conclusao atingida foi que o melhor modelo

dos rebaixos para os o-rings foi o ”TRIANGULAR + RETANGULAR”. A com-

binacao das duas formas geometricas resultou numa boa vedacao, tendo em vista

que a regiao triangular serve para auxiliar na sustentacao do proprio material en-

quanto a retangular acomoda o o-ring durante a montagem evitando a deformacao

tıpica do metodo FDM de fabricacao.

Outro aspecto relevante a ser mencionado e a importancia de uma boa manutencao

na maquina responsavel pela impressao. Durante o perıodo inicial da fabricacao

houve casos de entupimento e material carbonizado durante as impressoes, mais ve-

zes do que deveria ser esperado. O entupimento do bico extrusor compromete toda

a operacao uma vez que o interrompimento da maquina durante o processo se torna

inevitavel. De maneira oposta, a carbonizacao de material durante a impressao,

geralmente, nao afeta o resultado final da peca. Na grande maioria das vezes a car-

bonizacao segue o mostrado na Figura 3.21, sendo algo local e que apenas prejudica

a apresentacao da peca.

Figura 3.21: Foto de uma peca recem fabricada com o defeito de carbonizacao local.

55

O equipamento, por ser voltado a um amplo publico, nao apresenta facil acesso

para se alterar ou ajustar componentes internos. Por tal motivo, apos profunda

pesquisa, foi encontrado o motivo do disturbio na producao dos dispositivos. Uma

simples guia de plastico, Figura 3.22, que apresenta a funcao de encaminhar o fila-

mento de material de uma parte da impressora a outra se mostrou com diametro

menor do que deveria ser, dificultando a passagem do material. Como solucao, bas-

tou a aplicacao de um simples oleo de maquina no filamento antes de sua entrada

na maquina para diminuir o atrito entre a guia e o material.

Figura 3.22: Guia de plastico responsavel por levar o filamento da entrada ate o

bico extrusor, tambem causadora do mal funcionamento da maquina.

Em resumo, a fabricacao se desenvolveu como um longo processo de ajuste de

parametros, sempre atentando-se aos diversos aspectos relevantes de cada impressao

para se alcancar o resultado final desejado. Resultados bastante positivos foram

atingidos ao fim da etapa de fabricacao, possibilitando que sejam realizados testes

para efetivamente constatar o desempenho do dispositivo nas suas funcionalidades.

56

Capıtulo 4

Testes

Durante este capıtulo serao detalhados os aparatos de teste e como foram utiliza-

dos para a realizacao dos testes fluidodinamicos. Alem do detalhamento, os resul-

tados tambem sao expostos e avaliados nesse capıtulo, possibilitando a formacao de

conclusoes sobre o dispositivo.

4.1 Testes Fluidodinamicos

Realizar testes para averiguar o funcionamento do dispositivo foi fundamental

para o progresso do projeto, possibilitando descobrir e julgar a eficiencia de no-

vas solucoes para dificuldades encontradas durante seu desenvolvimento. Dentre os

parametros definidos atraves dos testes fluidodinamicos temos a geometria ideal do

rebaixo responsavel por acomodar o o-ring, a forma mais eficiente de se fixar o con-

junto e a percentagem otimizada de preenchimento durante a impressao, evitando

vazamentos de fluido internamente alem de tambem economizar na fabricacao.

Figura 4.1: Conjunto devidamente montado, incluindo ambas as bombas de seringa

de injecao e de remocao sob vista frontal.

57

O procedimento requerido para investigar a presenca de vazamentos por dentro da

propria estrutura do dispositivo e averiguar se nao ha nenhuma obstrucao pelo mi-

crocanal e o mais simples dentre os demais testes a serem realizados. Apenas escoar

manualmente agua com corante utilizando uma simples seringa ja torna possıvel

observar a olho nu se o fluido tomou algum caminho periferico indesejado ou nao.A

possibilidade de escoar o fluido apenas pela peca impressa, ainda fora do conjunto, e

sem a necessidade de controle de vazao sao as caracterısticas que tornam esse teste

tao mais simples.

Como pode ser visto na Figura 4.2, esse teste inicial nao apresenta riscos ao dis-

positivo e e facilmente realizado. O controle manual da vazao e justificavel devido

ao baixo valor necessario durante um cultivo, por esse motivo qualquer vazao apli-

cada manualmente sera muito maior do que a desejada na pratica, tornando o teste

manual um caso extremamente conservador comparado a realidade da aplicacao.

Apos escoar uma quantidade razoavel de fluido, caso o vazamento tenha sido re-

latado, basta modificar o parametro de impressao para um valor mais elevado de

preenchimento e repetir o teste.

Figura 4.2: Fotografia demonstrando o teste manual realizado apos a fabricacao de

cada peca.

58

A forma de fixacao do conjunto e outro aspecto essencial para a criacao de um

dispositivo funcional e pratico. O conjunto deve, obrigatoriamente, estar montado

de maneira que a peca impressa pressione o o-ring contra a placa de petri impossi-

bilitando que haja vazamentos. Juntamente com a montagem, a escolha do formato

para o rebaixo responsavel por acolher o o-ring tambem e fundamental para evitar

vazamentos, tornando o contato entre o-ring e a peca mais uniforme.

Com o fim de validar as escolhas tomadas nas etapas de projeto de fixacao e design

do rebaixo do o-ring, o tipo de teste fluidodinamicos mais proximo ao cultivo celular

propriamente dito, disposto na Figura 4.3, foi realizado. O experimento foi posto

em pratica utilizando-se de um conjunto de estagio unico devidamente montado,

uma bomba e sua seringa preenchida de uma mistura de agua e corante vermelho

responsavel por inserir o fluido no sistema e outra similar vazia para receber o meio

condicionado do dispositivo. Apos ligar todos os componentes com finas mangueiras,

conforme a ilustrado na Figura 4.3, e possıvel iniciar o procedimento do teste.

Figura 4.3: Conjunto devidamente montado, incluindo ambas as bombas seringa de

injecao e de remocao sob vista superior.

Partindo para o teste com a montagem final, ja demonstrado na Figura 4.3, diver-

sos pontos fundamentais devem ser levados em consideracao. O primeiro e garantir

que a montagem do dispositivo foi realizada corretamente, incluindo o posiciona-

mento preciso do o-ring e que todas as quatro porcas foram torqueadas na ordem,

59

Figura 4.4, e com as intensidades adequadas para a montagem. Conjuntos que

receberem altas cargas de montagem podem danificar a placa de acrılico assim

como montagens realizadas fora de ordem podem gerar assimetrias, prejudicando

a vedacao do conjunto.

Figura 4.4: Indicacao da ordem aconselhada de aperto das porcas na montagem.

Outro aspecto importante para a realizacao do experimento e o controle da vazao,

propiciado pela bomba seringa utilizada. A bomba fornece uma faixa de operacao

que pode alcancar valores ınfimos de vazao como 0.001 µL/h, enquanto para o cultivo

estima-se uma vazao necessaria proxima a 60 µL/min. Utilizando valores dessa

ordem de grandeza cada teste tomaria muito tempo, portanto para fins de averiguar

o escoamento no dispositivo a ordem de magnitude foi proxima a 1 mL/min. Assim

como no teste manual, a vazao utilizada e muito superior a necessaria para a cultura,

assegurando que, caso nao haja vazamentos, o dispositivo sera apropriado para a

aplicacao pratica.

60

Por fim, assim que a bomba de injecao de fluido for acionada, basta observar os

pontos de ligacao entre dispositivo, mangueiras e conexoes para se certificar que nao

esta havendo nenhum vazamento inesperado nessas interfaces.

Toda a metodologia adotada para o experimento foi planejada para se assemelhar

aos processos reais de cultivo, e assim tentar simula-los. Obedecer um baixo valor

de vazao, manter o alinhamento dos aparelhos e um maior cuidado ao se montar

as conexoes foram alteracoes necessarias para adequar o teste e torna-lo viavel sem

prejudicar as possıveis conclusoes obtidas ao termino do experimento. O processo

pode ser dividido em duas etapas, a primeira sendo a etapa transiente e a segunda

a etapa permanente do experimento.

A fase transiente se caracteriza pelo preenchimento do dispositivo com um alto va-

lor para a vazao, se estendendo desde o momento em que a bomba seringa e acionada

ate o momento que o reservatorio de meio condicionado e quase que completamente

preenchido pelo fluido. Proximo ao fim do perıodo transiente, a bomba de injecao

deve ter sua vazao alterada para o valor exigido pelo cultivo, assim como a bomba

de remocao deve ser acionada com o mesmo valor em sentido oposto. Com esse

passo realizado, tem-se um regime permanente para o dispositivo, com um fluxo de

massa entrando no sistema igual ao fluxo de massa saindo.

Pela abrangencia do topico, o ideal seria realizar uma simulacao computacional

do escoamento no dispositivo antes da fabricacao. Isso forneceria dados sobre a

forma com que o fluido se comporta enquanto escoa e geraria maior confianca na

efetividade do aparelho. Como um modelo computacional, alem da fabricacao e

testes, impossibilitaria a entrega do projeto de graduacao dentro do prazo estimado,

a possibilidade de se observar experimentalmente o escoamento e o suficiente para

julgar o dispositivo. A caracterizacao do escoamento pode ser feita superficialmente

pela observacao da etapa transiente desse teste. Como exemplo de que o campo de

velocidade e aproximadamente radial, pode ser apresentada a Figura 4.5, mostrando

que o fluido preencheu toda a regiao quase que simultaneamente.

61

Figura 4.5: Imagem com a demonstracao pratica do fluxo no interior do dispositivo

durante a fase transiente.

O estagio permanente do experimento nada mais e do que a movimentacao de

fluido saindo de uma seringa e indo ate a seguinte sem variacao alguma na confi-

guracao do dispositivo. A duracao dessa fase se estende pelo tempo necessario para

se esvaziar a seringa de injecao e preencher a de remocao. Observar o transcorrer

dessa segunda etapa do experimento possibilita concluir se o dispositivo impresso e

montado daquela forma especıfica esta adequado para os testes futuros com celulas,

nao apresentando vazamentos ou comportamentos atıpicos.

62

Capıtulo 5

Conclusoes e Direcionamentos

Capıtulo que lista e comenta os resultados alcancados pela totalidade do estudo,

avaliando o desempenho do dispositivo. Possibilidades de projetos futuros e possıveis

melhorias tambem sao expostas no atual capıtulo, encorajando a continuidade do

tema de estudo que ainda pode gerar muitos frutos.

5.1 Conclusoes

As conclusoes alcancadas durante esse projeto foram diversas. Atingindo desde as

confirmacoes geradas pelos testes ate as implicacoes praticas tiradas nos processos de

fabricacao, todas resultaram em observacoes, efeitos ou alternativas para estudos fu-

turos. O ponto atingido ao termino do projeto obteve certa relevancia cientıfica por

ter idealizado e posto em pratica aspectos inovadores na interface entre engenharia

e biologia. Contudo, apesar de seu avanco, este ainda abre inumeras possibilidades

para mais testes, experimentos e projetos futuros.

Combinar fatores nunca utilizados juntos para a criacao de um dispositivo comple-

tamente novo viabilizou novos pontos de vista, previamente impraticaveis. Projetar

computacionalmente um modelo tridimensional complexo, ja fabrica-lo sem muitas

limitacoes e com certo grau de precisao possibilitou geometrias altamente eficientes

para o dispositivo. Entretanto, em paralelo com as vantagens tambem foram en-

contrados diversos empecilhos durante o processo que foram solucionados gerando

ainda mais valor ao presente projeto.

63

Figura 5.1: Imagem do teste bem sucedido apos aplicacao dos ajustes propostos

nesse trabalho.

Um dos entendimentos tirados dos testes fluidodinamicos realizados, foi que o

escoamento do fluido no interior do equipamento pode ser considerado um escoa-

mento de fluxo radial. A inexistencia de caminhos preferenciais dentro do dispositivo

validam parcialmente a sua aplicacao, que apresentava como objetivo criar um am-

biente mais proximo ao natural das celulas. Apesar do bom resultado, pequenas

discrepancias entre o modelo e o experimento sao esperadas devido a possıveis im-

precisoes na montagem ou no proprio experimento.

Muitas das tecnicas existentes de manufatura aditiva vem ganhando importancia

com o passar do tempo e, devido a isso, novas aplicacoes vem sendo descobertas. O

caso do dispositivo para cultivo celular nao e diferente, tendo em vista que o atual

trabalho trouxe como uma de suas conclusoes que e possıvel e viavel a fabricacao

do dispositivo com uma impressora 3D de uso geral. O contınuo barateamento da

tecnologia de impressao 3D motivou ainda mais a adocao desse tipo de processo para

o dispositivo, tendo em mente que este deveria ser um equipamento economicamente

viavel.

64

Sabendo que o dispositivo impresso pesa por volta de 30g e que o preco por

quilograma de filamento e 160 reais para o PLA e 260 reais para o TRITAN, podemos

estimar o preco de fabricacao da unidade em 4.80 reais para o PLA e 7.80 reais para

o TRITAN. O foco em utilizar apenas aparatos de facil acesso e baixo custo tornou

todo o conjunto em um equipamento acessıvel. Como maior gasto, temos a aquisicao

das bombas seringas, custo que podera ser diluıdo pela quantidade de estagios no

conjunto desejados pelo usuario, Figura 5.2.

Figura 5.2: Comparacao entre os conjuntos de estagio unico e multiplo.

Apesar da necessidade de mais testes para validar por completo o funcionamento

do dispositivo em contato com celulas vivas, a possibilidade de mudanca do seu

material base amplia as chances do projeto ser bem sucedido em suas proximas

etapas. Caso seja descoberto algum tipo de incompatibilidade entre os materiais

escolhidos, PLA e TRITAN, e as celulas a serem cultivadas, basta levar a selecao de

materiais para um campo de aplicacoes menos abrangentes.

5.2 Sugestoes para Trabalhos Futuros

Como ja afirmado na seccao anterior, o atual projeto testou a viabilidade de alguns

pontos inovadores, fazendo disso sua principal contribuicao para o meio cientıfico.

65

Assim sendo, o trabalho teve carater introdutorio em diversos aspectos, e por tal

motivo ha uma grande quantidade de otimizacoes a serem feitas e novas opcoes a

serem testadas.

Os testes com cultivo celular demandam equipamentos muito especıficos e fora

da infraestrutura de um laboratorio de Engenharia Mecanica. Por esse motivo ha

a parceria com outros laboratorios, chegando aos laboratorios onde o coorientador

deste estudo, Paulo Emılio Correa Leite, encontra-se vinculado. Um destes labo-

ratorios e a Unidade de Pesquisa Clınica (UPC) do Hospital Universitario Antonio

Pedro (HUAP). Com a conclusao do ultimo dispositivo, o qual demandou tempo

ate chegarmos em um prototipo mais refinado, iremos iniciar os ensaios contendo

primeiramente celulas como fibroblastos para em seguida utilizar celulas mais nobres

como iPSC, realizando a prova de conceito.

Um diagrama simples com a configuracao proposta para o teste a ser realizado

esta na Figura 5.3 que mostra os componentes e como devem ser arranjados.

Figura 5.3: Disposicao planejada idealmente para a realizacao do processo de cultivo

celular com uso de um frigobar e tres dispositivos simultaneamente.

Para a realizacao do cultivo, a bomba injetora e a bomba de remocao devem estar

dentro de um ambiente refrigerado a uma temperatura entre 4 e 6◦C como, por

66

exemplo, um frigobar. Os dispositivos microfluıdicos devem se encontrar fora do

ambiente refrigerado, porem dentro da estufa de dioxido de carbono. Adaptacoes

devem ser realizadas no frigobar e na estufa para que as mangueiras sejam capazes

de alcancar os demais aparatos do experimento.

Utilizar os dispositivos de forma separada e interessante por facilitar o acompa-

nhamento do crescimento das celulas, tornando possıvel levar o dispositivo ate o

microscopio sem haver desmontagens desnecessarias. Para um fim de producao em

massa de celulas com o processo ja bem caracterizado, o uso do conjunto empilhado

se torna mais eficiente, ao contrario do momento atual que e um perıodo de testes

e ajustes.

Em geral, cultivos mais complexos requerem a adicao de um fluxo de dioxido de

carbono junto ao meio nutritivo, fazendo com que a disposicao de todo o experimento

fosse alterada. Contudo, pelo uso da substancia tampao HEPES no meio nutritivo,

nao sera necessaria a injecao de dioxido de carbono durante o experimento.

Com o avanco na tecnologia das impressoras 3D, e possıvel otimizar diversos pon-

tos do dispositivo obtido nesse trabalho. Com maquinas de maior precisao, podem

ser fabricados microcanais ainda menores, assim como impressoras com mais de um

bico extrusor podem possibilitar geometrias ainda mais eficientes, exemplificado na

Figura 5.4. Construir uma peca com dois materiais diferentes gera a oportunidade

de se criar suportes quimicamente removıveis e assim controlar com muito mais

precisao a altura do reservatorio de cultura.

Figura 5.4: Dispositivo fabricado com dois materiais distintos, possibilitando maior

controle na altura da regiao de cultivo.

67

Apesar da simulacao ser naturalmente realizada previamente a fabricacao do dis-

positivo, a realizacao de uma simulacao computacional ainda se mostra interessante

para o projeto, tornando-o ainda mais robusto e confiavel em trabalhos futuros.

Justificado pelo amplo escopo e curto tempo disponıvel para o desenvolvimento

deste trabalho, muitas alternativas para solucionar pequenos empecilhos nao pude-

ram ser postas em pratica. Uma delas foi tentar solucionar o problema de trans-

parencia da pelıcula do dispositivo, utilizando da possibilidade de ser fabricado um

dispositivo sem pelıcula com encaixes para uma lamina de vidro ou acrılico trans-

parentes. Sendo assim, a dificuldade enfrentada seria lidar com pontos adicionais

necessitados de vedacao.

Para validar por completo o microdispositivo, e necessario que sejam realizados

cultivos com o maior numero de classes de celulas. Iniciar os testes por celulas de

simples cultura e tentar chegar a celulas extremamente frageis seria o objetivo da

proxima serie de experimentos caso houvesse mais tempo para continuar o projeto.

As celulas iPSC humanas sao celulas muito frageis, porem pela falta de tempo e

pela alta demanda foram as escolhidas para a tentativa de cultivo.

Alem da realizacao de testes com celulas vivas ser claramente a continuacao na-

tural para projetos futuros, a fabricacao de mais pecas com geometrias de canal

diferentes pode e deve ser continuada, podendo aumentar ainda mais a efetividade

do dispositivo. Similarmente ao que foi feito para o rebaixo do o-ring, projetar

canais com geometrias diferentes tambem pode ser uma alternativa com o fim de

compensar a imprecisao gerada durante a fabricacao.

Outro aspecto que poderia ter sido mais trabalhado foi a variacao dos modelos

de o-ring escolhido. Como foi comprado apenas um unico tipo de o-ring, esse foi

o utilizado durante todo o projeto. Aneis de vedacao com menor espessura podem

diminuir a altura do reservatorio de cultivo, porem tambem podem comprometer

a vedacao do sistema. Novamente pela falta de tempo, o projeto se ajustou para

trabalhar com o o-ring disponıvel.

68

Por fim, os trabalhos futuros sobre o assunto tem grande relevancia cientıfica e

sao altamente aconselhados a serem realizados. O tema pode gerar melhorias reais

em campos diversos e possibilitar grande desenvolvimento para toda uma interface

de tecnologias ainda recente.

69

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in bioreactor and further application towards fossil fuels desulfurization. Ph.D.

dissertation, 2015.

72

Apendice A

Tabela de parametros modificados

para a fabricacao do dispositivo.

Abaixo sao apresetados os parametros que devem ser alterados para uma

fabricacao adequada do dispositivo. Os demais parametros, nao citados, devem ser

mantidos como os valores padrao sugeridos pelo software em sua melhor qualidade

de impressao para o material utilizado.

Tabela A.1: Parametros modificados para a fabricacao do dispositivo.

MaterialParametro

PLA TRITAN

Primary Layer Height (mm) 0.1 0.2

Top/Bottom Solid Layers 5 5

Outline/Perimeter Shells 3 3

Infill Percentage 50% 50%

Internal Fill Pattern Wiggle

External Fill Pattern Rectilinear

Temperatura do Bico (◦C) 200 245

Temperatura da Mesa (◦C) 55 90

Default Printing Speed (mm/s) 50

Outline Underspeed 60% 50%

73

80°

4.20

11

16 8

4

1

4.50 2.50 2

R7.50

85.40

R32

66

70

A A

B B

C C

D D

E E

F F

4

4

3

3

2

2

1

1

DESENHO

A NÃO SER QUE SEJA ESPECIFICADO: DIMENSÕES EM MILÍMETROS

NOME ASSINATURA DATA

MATERIAL:

NÃO MUDE A ESCALA DO DESENHO REVISÃO 1

TÍTULO

ESCALA: 1:1.5 PÁGINA 1 DE 1

A4PLAPESO: 25.50 g

Carlos CarvalhoCarolina

Cotta

25/02/18

Apêndice B

Dispositivo ImpressoORIENTAÇÃO