Pesquisadores do MIT demonstraram um projeto de baixo custo de bicos eletrônicos especializados, chamados emissores de eletrospray triaxiais, que podem ser usados para fabricar partículas de liberação controlada de medicamentos ou materiais autorreparadores de forma eficiente e em larga escala.

Emissores de eletrospray triaxiais utilizam eletricidade para dispensar com precisão três líquidos a partir de bicos microscópicos, gerando um fluxo constante com três camadas fluidas distintas. O líquido forma gotículas multicamadas, que podem se solidificar em micropartículas estratificadas.

Por exemplo, uma matriz de emissores de eletrospray triaxiais pode ser usada para fabricar nanopartículas de liberação de fármacos de três camadas. A camada externa pode se degradar lentamente no estômago, revelando um segundo material que controla a liberação de um material central, o qual leva o medicamento a uma área específica do intestino.

O desenvolvimento de uma minúscula matriz de emissores de eletrospray normalmente requer processos de microfabricação caros e demorados em salas limpas de semicondutores, o que limita seu uso. Para superar essas desvantagens, os pesquisadores do MIT imprimiram em 3D matrizes de emissores de eletrospray triaxiais com 16 bicos em uma área de cerca de um centímetro quadrado. Cada dispositivo contém uma intrincada rede de microcanais tridimensionais que fornecem líquido uniformemente aos bicos. 

Seu processo de fabricação em uma única etapa leva apenas algumas horas para produzir conjuntos complexos de emissores. 

Quando testadas, as matrizes impressas em 3D geraram gotículas uniformes de três camadas em grande escala. Essa uniformidade é fundamental para a fabricação em larga escala de micropartículas em camadas para aplicações como biossensores que detectam substâncias químicas ou células artificiais para auxiliar na regeneração de tecidos.

“Não conseguiríamos fabricar um dispositivo como este em uma sala limpa de semicondutores. Isso só é possível porque eles são impressos em 3D”, afirma Luis Fernando Velásquez-García, pesquisador principal dos Laboratórios de Tecnologia de Microssistemas (MTL) do MIT e autor sênior de um artigo que descreve esse avanço. “As partículas geradas por esses dispositivos, seja para um compósito autorreparador ou para administrar medicamentos, podem ter um grande impacto em diversas aplicações. Queremos democratizar essa tecnologia para que seus benefícios alcancem muito mais pessoas.”

Velásquez-García é acompanhado no artigo pelo autor principal Bryan Ivan Quintanar-Abarca, do Instituto Tecnológico de Monterrey, no México. A pesquisa foi publicada na revista Virtual and Physical Prototyping .

Os emissores de eletrospray aplicam uma alta voltagem a um líquido à medida que este sai do bocal do dispositivo, produzindo um fluxo constante de gotículas extremamente pequenas. 

Os dispositivos triaxiais contêm conjuntos de três bicos concêntricos que emitem três líquidos imiscíveis, ou não miscíveis, simultaneamente em gotículas estratificadas, que podem ser usadas para gerar micropartículas compostas com camadas distintas.

Por exemplo, pode-se usar um emissor de eletrospray triaxial para criar uma partícula biossensora que contenha três marcadores químicos diferentes, um em cada camada. Os emissores de eletrospray podem produzir microgotículas menores muito mais rapidamente do que outras técnicas.

A miniaturização é fundamental para dispositivos de eletropulverização, pois quanto menor o emissor, menor a voltagem necessária para gerar gotículas. A produção de um único emissor de eletropulverização é modesta, portanto, conjuntos de emissores são necessários para aumentar a produção de gotículas sem sacrificar a uniformidade. 

Dispositivos de eletroaspiração com múltiplos emissores são normalmente fabricados em salas limpas para semicondutores, mas os processos tradicionais limitam os formatos e tamanhos dos componentes. Os pesquisadores não encontraram nenhum relato anterior de um arranjo de eletroaspiração triaxial miniaturizado na literatura científica, o que destaca a originalidade deste trabalho.

“Ao construir um arranjo triaxial, é preciso encontrar uma maneira de criar geometrias com muitas partes integradas e estruturas extremamente finas na menor área possível. E é preciso garantir que os dispositivos funcionem de maneira uniforme”, explica Velásquez-García.

Para isso, ele e seus colaboradores utilizaram uma técnica de impressão 3D chamada fotopolimerização em cuba, que usa luz para solidificar camadas extremamente finas de resina líquida, fabricando um dispositivo complexo camada por camada. 

Esse processo extremamente preciso permitiu aos pesquisadores imprimir camadas com apenas 25 micrômetros de altura, uma fração da largura de um fio de cabelo humano. Dessa forma, eles conseguiram gerar a geometria interna complexa necessária para um emissor de eletrospray triaxial.

O conjunto, ligeiramente maior que uma moeda de um centavo de dólar americano, contém uma rede de canais internos em espiral que transportam o líquido até 16 bicos. Esses microcanais helicoidais ajudam a manter uma pulverização uniforme de microgotículas em todos os bicos, mantendo o dispositivo o mais compacto possível. 

Eles também precisavam fabricar canais extremamente pequenos sem estruturas de suporte, que poderiam obstruir o dispositivo, e garantir que toda a resina não curada fosse removida antes que a matriz fosse usada.

Os microcanais canalizam o líquido para os bicos concêntricos, que devem estar perfeitamente alinhados para emitir microgotículas de maneira consistente.

“Conseguimos otimizar o design de forma agressiva porque pudemos iterar de maneira muito mais rápida. Essa capacidade de refinar designs com primor é uma vantagem fundamental da impressão 3D”, afirma Velásquez-García.

Os pesquisadores testaram diversas arquiteturas para determinar a combinação ideal de vazões de líquido para maximizar a estabilidade e a consistência das microgotículas emitidas. Eles se surpreenderam ao descobrir que a viscosidade do líquido intermediário desempenha o papel mais importante na obtenção da estabilidade de uma microgotícula, uma vez que preserva a espessura de cada camada. 

Além disso, os pesquisadores descobriram que, ajustando as taxas de fluxo e as voltagens, podiam controlar com precisão a espessura de cada camada de microgotículas. Isso permitiria aos cientistas projetar partículas para administração de medicamentos com camadas ideais, de modo que o medicamento seja liberado exatamente no momento certo.

“Ao tornar esses dispositivos complexos mais práticos, podemos capacitar outras pessoas a buscar avanços empreendedores e científicos”, afirma Velásquez-García. 

No futuro, os pesquisadores pretendem continuar aprimorando seus processos de fabricação e projetos para alcançar dimensões ainda menores e integrar materiais condutores ou dielétricos aos dispositivos, a fim de criar matrizes de emissores de eletrospray mais avançadas.

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Programa de Nanotecnologia do Tecnológico de Monterrey – MIT.