La microfluidica è un campo interdisciplinare della scienza e della tecnologia che si occupa del controllo e della manipolazione ad alta precisione di fluidi che vengono geometricamente costretti in reti di canali di piccole dimensioni, normalmente di spessore inferiore ai 100 µm di diametro.
Rispetto ai metodi di test tradizionale, che utilizzano piastre di Petri e contagocce, nella microfluidica vengono impiegati campioni di dimensioni considerevolmente più ridotte, che richiedono quindi quantità inferiori di costose sostanze chimiche e reagenti. Quando si tratta di quantità così piccole di fluido emergono diverse proprietà interessanti. Proprietà come la tensione superficiale, che tendono a non avere importanza quando si tratta di volumi d’acqua a cui siamo abituati, iniziano a dominare le dinamiche a queste scale. Il numero di Reynolds, che determina la turbolenza del flusso, è estremamente basso su piccola scala, il che significa che il flusso del fluido rimane praticamente laminare. Tutto ciò rende i test basati sulla microfluidica più sicuri, perché consentono di controllare e contenere più efficacemente le sostanze tossiche.
Applicazioni
La microfluidica è diventata sempre più importante per lo sviluppo di nuove tecnologie nei campi della medicina, della biologia, della fisica, della chimica e dell'ingegneria.
Nelle biotecnologie, la microfluidica viene utilizzata per la preparazione dei campioni, la coltura e l'analisi delle cellule e la somministrazione di farmaci. Nella diagnostica medica, viene utilizzata per i sistemi point-of-care e lab-on-a-chip. Nelle scienze chimiche e dei materiali, la microfluidica può essere utilizzata per la sintesi e lo studio dei nanomateriali. In ingegneria, viene utilizzata per l'ottimizzazione e il controllo dei processi. Tutti i fluidi devono essere relativamente puri e privi di particelle che ostruiscono questi delicati canali. I microarray di DNA, che consentono ai biologi di eseguire simultaneamente milioni di test su una particolare sequenza proteica o genica, sfruttano la microfluidica. Le macchine per la separazione chimica possono utilizzare combinazioni di centrifughe e chip microfluidici per analizzare la composizione chimica di una particolare sostanza. Possono essere utilizzati per preparare campioni biologici per i test. Poiché la maggior parte dei chip microfluidici ha design che non possono essere riconfigurati, questo limita le applicazioni più ambiziose, ma la ricerca è in corso per aggirare questo problema.
Tipi di sistemi microfluidici
I sistemi microfluidici sono tipicamente composti da diversi componenti, tra cui canali fluidici, pompe, valvole, sensori e attuatori. I componenti dei sistemi microfluidici sono in genere fabbricati utilizzando tecniche di litografia morbida o di stampa 3D.
Esistono tre tipi principali di sistemi microfluidici: sistemi lab-on-a-chip, sistemi point-of-care e reattori microfluidici. I sistemi lab-on-a-chip sono utilizzati per esperimenti su scala di laboratorio, mentre i sistemi point-of-care sono utilizzati per la diagnosi e il monitoraggio dei pazienti. I reattori microfluidici sono utilizzati per processi chimici e biochimici.
Fabbricazione dei chip microfluidici
I sistemi che utilizzano la microfluidica devono essere fabbricati in modo molto preciso. Il vetro è un materiale comune, ma anche la plastica e il silicio sono mezzi popolari. Gli approcci tradizionali per fabbricare dispositivi microfluidici tendono a essere complessi e richiedono molto tempo, in genere comportano la microfabbricazione in camera bianca di un master da una fotomaschera 2D seguita da litografia morbida e legame. Questo protocollo onnipresente, tuttavia, introduce costi significativi associati all'infrastruttura istituzionale, all'installazione delle apparecchiature, alla manutenzione e allo spazio fisico richiesto per le strutture in camera bianca. Ciò limita l'accessibilità alle tecnologie microfluidiche per molti laboratori di ricerca. Inoltre, ogni iterazione di progettazione richiede la stampa di una nuova fotomaschera e litografia UV per produrre un nuovo master. Questo processo in più fasi e ad alta intensità di lavoro ostacola attualmente l'innovazione rapida e diffusa e lo sviluppo di nuove applicazioni.
Tra le tecniche di fabbricazione si utilizzano in particolare:
- Fotolitografia
- Micro termoformatura
- Micro stampaggio a iniezione
- Lavorazione CNC
- Stampa 3D
La stampa 3D a differenza delle altre tecniche di fabbricazione che operano in sottrazione e incisione, lavora per addizione di materiale. Nell'ultimo decennio, un'ondata di progressi tecnologici nella stampa 3D ad alta risoluzione ha ulteriormente migliorato la nostra capacità di fabbricare strutture in microscala e dispositivi microfluidici. Utilizzando questa tecnologia, i dispositivi microfluidici possono essere stampati in diverse modalità, come spiegate di seguito.
Fabbricazione di stampi per microfluidica basata su PDMS
La fabbricazione di microfluidica basata su PDMS utilizzando stampi master stampati in 3D offre molti vantaggi intuitivi della fabbricazione tramite stampa 3D e mantiene le proprietà desiderabili del materiale PDMS, come la biocompatibilità e la permeabilità all'ossigeno. Questo approccio supera anche lo svantaggio delle proprietà superficiali sconosciute delle resine commerciali. Il master può essere prodotto tramite tecniche di prototipazione rapida, riducendo i costi complessivi e il tempo necessario per la fabbricazione, seguiti dallo stampaggio PDMS tradizionale.
Fabbricazione di componenti microfluidici
La fabbricazione di dispositivi microfluidici con geometrie di canale precise e su microscala richiede generalmente una notevole quantità di lavoro in termini di progettazione, fabbricazione e integrazione di componenti microfluidici, inclusi componenti attivi e passivi. I componenti attivi manipolano il flusso del fluido applicando energia, mentre i componenti passivi si basano su forze di azionamento esterne o capillari per guidare il flusso del fluido.
Inoltre, i moduli microfluidici possono essere fabbricati separatamente e successivamente combinati per ottenere un design intercambiabile facilmente adattabile per svolgere la funzione desiderata.
In entrambi gli approcci, l'uso della tecnologia di stampa 3D sostituisce le fasi di micro-fabbricazione in camera bianca, semplificando la fabbricazione di dispositivi complessi e riducendo l'investimento iniziale e i costi operativi rispetto alla fabbricazione tradizionale.
Proprietà dei materiali stampati 3D
Fondamentale è quindi comprendere quali sono le caratteristiche che il dispositivo microfluidico deve soddisfare per poter identificare la tecnologia e il materiale più adatto. Il modulo elastico è la relazione meccanica tra sollecitazione e deformazione, che è di estrema importanza nella progettazione di pezzi come canali e valvole che devono resistere a un'elevata pressione del fluido. Sebbene la microfluidica tratti quantità così piccole di fluido, la pressione generata dal pompaggio attraverso questi dispositivi può essere sufficiente a causare una deformazione elastica nel canale o nella valvola che è parte integrante della regolazione del processo microfluidico. Nelle applicazioni microfluidiche, anche la trasparenza dei materiali è una proprietà utile da considerare. Nella microfluidica, le osservazioni visive sono necessarie per garantire che i reagenti interagiscano correttamente e scorrano in modo appropriato. Inoltre, nelle applicazioni biologiche della microfluidica, le cellule possono essere visualizzate utilizzando luce trasmessa o epifluorescenza.
Tuttavia, va notato che a causa del metodo di polimerizzazione alla luce coinvolto nella stampa 3D SLA, in particolare nel caso di resine trasparenti, potrebbe verificarsi un problema con strati di polimerizzazione involontaria sopra lo strato in fase di stampa.
Inoltre, la viscosità della resina è un parametro importante nella scelta di un metodo appropriato per la rimozione della resina non indurita dai canali stampati in 3D.
Le applicazioni microfluidiche spesso coinvolgono biomateriali o reagenti chimici. La composizione chimica della resina è fondamentale per rendere i dispositivi stampati in 3D un'opzione praticabile. I dispositivi devono essere realizzati in resine che non reagiscono o assorbono reagenti proteici e di acidi nucleici per essere utili nelle applicazioni biomediche. Allo stesso modo, le resine devono essere biocompatibili, poiché le cellule viventi possono entrare in contatto o essere coltivate in stretta prossimità con la resina. La biocompatibilità e la trasparenza delle resine SLA e multi-jet hanno dimostrato di essere sufficienti per gli esperimenti biologici. Alla luce delle proprietà altamente favorevoli delle resine esistenti e dell'innovazione attiva in questo settore, l'uso di materiali di stampa 3D per creare dispositivi microfluidici ha guadagnato popolarità.
La stampa 3D di dispositivi microfluidici per l'uso in vari ambiti di ricerca presenta diversi vantaggi rispetto agli strumenti di microfabbricazione esistenti, tra cui accessibilità, basso costo, efficienza, versatilità e prototipazione rapida. Rimangono diverse sfide, tra cui la scelta dei materiali e le limitazioni sulle dimensioni più piccole dei canali che possono essere fabbricati. Sono state ottenute un'elevata risoluzione e precisione nei dispositivi microfluidici con stampanti 3D a getto di fotopolimeri. Tuttavia, altre tecniche come il getto di legante e la sinterizzazione laser offrono il vantaggio di non richiedere strutture di supporto fisse, che possono essere difficili da rimuovere dopo il processo di getto di fotopolimeri.
Considerando i significativi progressi nel campo finora e le attuali limitazioni, il processo di incorporazione della stampa 3D nella microfluidica è ancora agli inizi. Lo sviluppo di tecnologie di stampa 3D e l'aumento della versatilità dei materiali hanno il potenziale di influenzare in modo significativo il modo in cui vengono realizzati i dispositivi microfluidici lab-on-a-chip. L'applicazione di una tecnologia di stampa 3D in rapido miglioramento ha già reso la microfluidica più accessibile sia agli scienziati di base che agli ingegneri. I futuri miglioramenti della tecnologia di stampa 3D e dei materiali per la microfluidica probabilmente stimoleranno ulteriori progressi in diversi campi di ricerca.
Fonte: PubMed
