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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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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
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