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USINAGEM A LASER EM MATERIAIS POLIMÉRICOS PARA PRODUÇÃO DE BIOCHIPS

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Resumo -É apresentado aqui um estudo a respeito da usinagem de um material polimérico a fim de se obter condições aceitáveis para a produção de um biochip. Dentre inúmeros polímeros, foram escolhidos aqueles que atendessem a alguns critérios, chegando-se a três candidatos: poliestireno, policarbonato, polimetil-metacrilato (Acrílico). A usinagem destes materiais foi realizada na máquina a laser L-Solution 30W da Gravograph. Após os testes com esses materiais verificou-se que o Policarbonato é o material mais adequado para a produção do Biochip, uma vez que os resultados provaram a possibilidade da utilização desse material nas dimensões necessárias para a produção de microcanais. Abstract -This paper contains a study about polymeric components machining, to obtain possible conditions to produce a Biochip. Among a lot of polymers were selected those who follow some standards, three components were chosen: Polystyrene, Polycarbonate, Polymetil methacrylate (Acrylic). The materials machining was performed inGravograps L-Solution 30W Laser device. After the tests with these materials was verified which Policarbonate is the most adequate to produce a Biochip, the results proved the possibility of the use of this material in the necessary dimensions to produce a microchannel.
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USINAGEM A LASER EM MATERIAIS POLIMÉRICOS PARA
PRODUÇÃO DE BIOCHIPS
Fabricio A. Gans, Tatiana M. Kobeling, *Leonardo Schneider, Daniel Hioki, *Cyro K Saul
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR
Campus Curitiba Curitiba PR
*Universidade Federal do Paraná UFPR
Departamento de Física, Centro Politécnico Curitiba PR
fabricio_gans@hotmail.com, tati_mkobeling@hotmail.com, hioki@utfpr.edu.br, cyro@fisica.ufpr.br,
lbs03@fisica.ufpr.br
Resumo - É apresentado aqui um estudo a respeito da usinagem de um material polimérico a fim de se obter
condições aceitáveis para a produção de um biochip. Dentre inúmeros polímeros, foram escolhidos aqueles que
atendessem a alguns critérios, chegando-se a três candidatos: poliestireno, policarbonato, polimetil-metacrilato
(Acrílico). A usinagem destes materiais foi realizada na máquina a laser L-Solution 30W da Gravograph. Após os
testes com esses materiais verificou-se que o Policarbonato é o material mais adequado para a produção do Biochip,
uma vez que os resultados provaram a possibilidade da utilização desse material nas dimensões necessárias para a
produção de microcanais.
Palavras-chave - Usinagem, Laser, Biochip, Polímero.
Abstract - This paper contains a study about polymeric components machining, to obtain possible conditions to
produce a Biochip. Among a lot of polymers were selected those who follow some standards, three components
were chosen: Polystyrene, Polycarbonate, Polymetil methacrylate (Acrylic). The materials machining was performed
in Gravograph`s L-Solution 30W Laser device. After the tests with these materials was verified which Policarbonate
is the most adequate to produce a Biochip, the results proved the possibility of the use of this material in the
necessary dimensions to produce a microchannel.
Key-Words - Machining, Laser, Biochip, Polymer.
INTRODUÇÃO
Nos últimos anos a usinagem a laser tem assumido papel importante dentro de algumas
áreas, destacando-se na área da Medicina[3]. A produção de biochips descartáveis é um exemplo
disso. Os chamados Biochips representam um grande avanço tecnológico dentro da área da
saúde, pois abrem a possibilidade de diagnósticos mais rápidos e, conseqüentemente, permitem
aos órgãos de saúde tomarem medidas para prevenção e propagação de doenças. Vale ainda
lembrar que tais dispositivos permitem a realização de testes em locais onde os recursos
laboratoriais são escassos a um custo muito reduzido. O paciente poderá simplesmente ir ao
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consultório médico e através da utilização do Biochip já sair com o resultado na hora, evitando a
demora dos resultados laboratoriais[3]. Outro potencial inerente ao Biochip é a descentralização
do diagnóstico em períodos críticos de pandemia como verificado no caso da Influenza-A
(H1N1).
Técnicas. O biochip emprega várias técnicas aliadas: microfluídica, plasmônica e
fluorescência.[1]
Usinagem. Visando a produção dos Biochips necessita-se de um equipamento capaz de produzir
microcanais de tal forma que a microfluídica seja viável. Para o estudo foi utilizada a técnica de
ablação realizada na máquina a laser de CO2a gás, L-Solution 30W da Gravograph, com
comprimento de onda de 10 micrometros.
Biochip. O biochip será composto de cadeias de microcanais onde fluidos biológicos irão escoar.
Ao longo dos canais existirão espécies de poços e nesses poços, nanopartículas de anticorpos
estarão depositadas. Assim, através da reação entre as nanoparticulas e o fluido biológico, será
possível determinar se existe ou não a presença de determinadas doenças no paciente[3].
METODOLOGIA
Dentre os inúmeros polímeros que foram estudados os que foram escolhidos deveriam
atender a alguns fatores: não poderiam conter em sua composição cloro(Cl) ou flúor(F), devido
às restrições da máquina, e deveriam ser transparentes. Obedecendo a esses critérios chegou-se a
três candidatos: poliestireno, policarbonato e polimetil - metacrilato (Acrílico).
Foram preparadas três amostras de cada material. Realizou-se o corte das peças com
dimensão de 30X50 milimetros. Cada uma passou pelo processo de lixamento metalográfico das
duas faces menores, feito em 4 lixas, com granulometrias 220, 320, 400 e 600. Após esta etapa,
foi feito um polimento na politriz metalográfica, utilizando-se como abrasivo, alumina de 1
micrometro.
O planejamento experimental adotado foi o método “fatorial fracionado” (tab.1), que
consiste em uma otimização de um processo “fatorial completo”.
Tab.1- Valores gerados pelo programa Statistica para um fatorial fracionado.
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A usinagem dos canais das amostras foi realizada na máquina a laser de CO2 L-Solution
30W da Gravograph, onde via PC, são controladas a velocidade e potência fornecidas.
Fig.1- Ablação alaser nas amostras..
Para cada combinação dos parâmetros de entrada foram executados 5 canais, deixando-se
5mm de distância entre eles (fig.1) para que a zona termicamente afetada de um não afetasse o
outro. Realizou-se ainda uma repetição para cada combinação, totalizando-se 18 amostras.
RESULTADOS E CONCLUSÕES
Empregando um microscópio óptico, foram feitas fotos de três canais de cada amostra
(fig.2) e encaminhadas para medição e análise.
Fig.2 Canais analisados.
Os canais se mostraram bem distintos quando havia variação de material (fig.3).
(a) (b) (c)
Fig.3- Policarbonato(a), Polimetil metacrilato(b), Poliestireno(c).
A análise procedeu da seguinte maneira: 7 parâmetros de saída (fig.4) foram medidos e os
valores obtidos foram a média das aritmética dos 3 canais.
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Fig.4- Parâmetros de saída.
Fez-se uma tabela com todas as medidas foi utilizado o programa Statistica para analisar
os efeitos dos parâmetros de entrada sobre os parâmetros de saída. Contudo, os resultados
mostraram-se inconsistentes e decidiu-se então fazer um novo planejamento experimental,
retirando-se o material como um parâmetro de entrada.
Determinou-se então a utilização somente de amostras de Policarbonato[2] e decidiu-se
que seriam feitas as medições dos cinco canais e 2 parâmetros de saída: largura do canal e
profundidade do canal.
Os mesmos procedimentos foram utilizados e o experimento foi refeito. Após a nova
análise dos dados foi possível encontrar a maior e menor dispersão: 48,23 micrometros e 6,89
micrometros, respectivamente.
Com essas dispersões é possível o processo de produção de microcanais e funcionamento
do biochip, uma vez que outras técnicas como utilização de filtros e barragens podem ser aliadas
ao processo. As observações no fundo dos canais indicam variação na profundidade, concluindo-
se que o processo de ablação não é constante, corroborando com os valores de dispersão
encontrados.
REFERÊNCIAS
[1] E. Entcheva and H. Bien, “Acoustic micromachining of three-dimensional surfaces for
biological applications”, Lab Chip, 2005, 5, 179-183.
[2] H. Qi, T. Chen, L. Yao and T. Zuo, “Micromachining of microchannel on the polycarbonate
substrate withCO2 laser direct-writing ablation”, Optics and Lasers in Engineering 47 (2009)
594598.
[3] SITE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. Biochip descartável fará exames clínicos no
consultório médico. 25/09/2008. Online. Disponível em www.inovacaotecnologica
.com.br/noticias/artigo=biochip-descartavel-fara-exames-clinicos-no-consultorio-medico
.Capturado em 20/08/09.
[4] C. H. Green and J. White, “Developing Design Tools for Biological and Biomedical
Applications of Micro and Nano-technology”, Biochips and Bipoinformatics,2005, 196-200.
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Conference Paper
Full-text available
This short paper, an update of [75], is intended to provide a brief summary and extensive references on biological applications for micro- and nano-machining, as well as the computer-aided design challenges generated by those applications.
Article
Full-text available
We present the use of an accessible micromachining technique (acoustic micromachining) for manufacturing micron-feature surfaces with non-discretely varying depth. Acoustic micromachining allows for non-photolithographic production of metal templates with programmable spatial patterns and involves the use of standard acoustic, cutting and electroplating equipment for mass production of vinyl records. Simple 3D patterns were transferred from an acoustic signal into working nickel templates, from which elastic polymer molds were obtained, featuring deep surface grooves and non-discrete (smooth) variations in the z-dimension. Versatility and applicability of the method is demonstrated in obtaining microfluidics structures, manufacturing high-surface area wavy polymer fibers, assembly of cell networks on scaffolds with 3D topography, and microcontact printing of proteins and cells.
Article
Low-power CO2 laser direct-writing ablation was used to micromachine a microchannel on the polycarbonate substrate in this work. The influence of the process parameters (the laser power, the moving velocity of the laser beam and the scanning times) on the micromachining quality (the depth, the width and their aspect ratio) of the microchannel was experimentally studied. The depth and width of microchannel both increase with the increase of the laser power and the decrease of the moving velocity of the laser beam. When higher laser power and slower moving velocity were used, the polycarbonate surface bore more heat irradiated from the CO2 laser for longer time which results in the formation of deeper and wider molten pool, hence the ability to fabricate bigger microchannel. Because of the effect of the laser power on the depth and width of microchannels, higher aspect (depth/width) ratio could be achieved using slower moving velocity and higher laser power, and it would reach a steady state when the laser power increases to 9.0 W possibly caused by the effect of laser power on the different directions of microchannel. The polycarbonate–polycarbonate chip was bonded with hot-press bonding technique.
Biochip descartável fará exames clínicos no consultório médico
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SITE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. Biochip descartável fará exames clínicos no consultório médico. 25/09/2008. Online. Disponível em www.inovacaotecnologica .com.br/noticias/artigo=biochip-descartavel-fara-exames-clinicos-no-consultorio-medico .Capturado em 20/08/09.
Developing Design Tools for Biological and Biomedical Applications of Micro -and Nano-technology
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C. H. Green and J. White, "Developing Design Tools for Biological and Biomedical Applications of Micro -and Nano-technology", Biochips and Bipoinformatics,2005, 196-200.