Un approccio microfluidico ampiamente utilizzato per la creazione di emulsioni si basa sulla produzione di gocce di un fluido disperse in un altro fluido immiscibile (principalmente oli), a frequenze dell'ordine di grandezza compresa tra una e migliaia di gocce al secondo. La microfluidica basata su gocce sfrutta l'interazione tra la tensione interfacziale e la forza di taglio fluidica per suddividere i fluidi continui in segmenti di dimensioni uniformi all'interno di un microcanale. Per questo motivo, la viscosità dell'olio può influenzare in modo critico diversi parametri, come l'emulsione acqua-in-olio e, più precisamente, l'impatto sulla dimensione delle gocce e sulla frequenza di generazione delle stesse.
Con l'emergere della microfluidica, il mercato degli oli dedicati a questo settore è cresciuto notevolmente. Lo scopo di questa rassegna è categorizzare gli oli impiegati nella microfluidica in base alle loro diverse caratteristiche chimico-fisiche e al loro impatto sui parametri delle gocce.
Cos'è un tensioattivo?
La microfluidica è un processo che genera migliaia di gocce al secondo tramite un chip in cui due fluidi immiscibili circolano in una rete di microcanali, formando un'emulsione. Per stabilizzare queste gocce è necessario aggiungere un tensioattivo. Un tensioattivo è un composto anfifilico che riduce la tensione superficiale. Si adsorbe naturalmente alle interfacce poiché è composto da una parte idrofila e una idrofoba. In questo contesto, è necessario trovare oli compatibili con il tensioattivo e compatibili con il materiale utilizzato (ad esempio, le cellule).
I differenti tipi di oli
Tipicamente, gli oli minerali sono stati impiegati con le cellule. Ad esempio, concentrandosi sui meccanismi di incapsulamento [Chaber M e Viovy JL. 2008 Proc Natl Acad Sci; Um E et al. 2010 Appl Phys Lett] e anche come sistema di doppia emulsione batterica per lo screening con tempi di incubazione di pochi minuti e limitati a circa 2 ore [Aharoni et al. 2005 Chem Biol]. Tra gli oli minerali troviamo gli oli idrocarburici. Essi sono pertanto limitati ad applicazioni come la PCR, in cui gli oggetti di interesse (i frammenti di DNA o RNA) non si scambiano tra le gocce. Gli oli fluorurati rappresentano gli unici esempi in cui la sopravvivenza e la proliferazione cellulare sono state dimostrate con un'incubazione a lungo termine degli organismi [Schmitz CHJ et al. 2009 Lab Chip], laddove lo scambio gassoso diventa cruciale. La scelta degli oli fluorurati è guidata principalmente da due aspetti: in primo luogo, essi risultano vantaggiosi poiché la maggior parte dei composti organici è insolubile in tali oli. I composti incapsulati nella goccia non dovrebbero subire ripartizione di fase e rimangono quindi all'interno della goccia stessa, risolvendo i limiti di scambio tipici degli oli organici e siliconici. Il secondo vantaggio degli oli fluorurati risiede nella loro biocompatibilità [Baret C. 2012 Lab Chip]. Inoltre, gli oli fluorurati sono in grado di solubilizzare i gas, un fattore critico per la vitalità cellulare. In misura minore, è possibile utilizzare oli siliconici, ma la loro incompatibilità con il PDMS fa sì che il loro impiego nella microfluidica rimanga estremamente limitato.Quale applicazione per quale olio?
Nelle tabelle seguenti sono indicati gli oli necessari per ciascuna applicazione e i relativi tensioattivi associati. Queste tabelle sono state estratte da Baret 2012 Lab Chip.Olio di silicio
| Tensioattivo | DC200 | PDMS | AR20 |
| Triton X-100 | PCR (miscela di oli complessa) | ||
| SDS (in acqua) | Emulsificazione olio in acqua | ||
| ABIL EM90 | Evoluzione diretta | ||
| Nessun surfactante | Stoccaggio di composti chimici Emulsificazione | Misurazione Raman |
Olio idrocarburico
| Tensioattivo | Esadecano | Tetra-/otta-/dodecano | Olio minerale | Isopar M | Vegetale / organico |
| Span 80 | Emulsificazione Coalescenza Divisione delle gocce Instabilità interfaciali Manipolazione laser Elettrocoalescenza Smistamento delle gocce | Emulsificazione Pattern di gocce Accoppiamento chimico | Espressione proteica Pattern di gocce Scambio molecolare Incapsulamento cellulare Reazioni chimiche Emulsificazione assistita elettricamente Emulsificazione per elettrobagnatura | Emulsificazione Appaiamento di gocce Elettrocoalescenza | |
| Monoleina Acido oleico | Tip streaming | Doppi strati (squalano) | |||
| Tween 20/80 | Tensione superficiale dinamica Emulsificazione | ||||
| Synperonic PEF C12E8 | Tensione superficiale dinamica | Tip streaming | |||
| SDS | Tensione superficiale dinamica Emulsificazione | ||||
| n-butanolo | Reologia interfacciale | ||||
| ABIL EM90 | PCR in goccia Evoluzione diretta | ||||
| Fosfolipide | Doppio strato lipidico | ||||
| Nessun surfactante | Idrodinamica delle gocce PCR in gocce | Idrodinamica delle gocce (olio di girasole) |
Olio fluorurato
| Tensioattivo | PFH/PFC/PFD/PFPH | Olio vettore (Raindance Technologies) | HFE/Novec | FC40 | FC70/FC77 | FC3283 |
| PF-ottanolo | Cinetica di reazione Cristallizzazione di proteine | microPIV | Screening di composti Cell sorting | Cristallizzazione di proteine | ||
| PF-decanolo Acido PF-TD | PCR in goccia | Adsorbimento proteico | ||||
| PF-TD OEG | Adsorbimento proteico Chemistrode | |||||
| PFPE- COOH | Divisione di gocce Rilevamento di gocce | Elettrocoalescenza | ||||
| PFPE- COONH4 | Cellule in goccia | Emulsione multipla | Cellule in gocce Idrodinamica delle gocce Reazione chimica | |||
| PFPE-PEG | Cellule in goccia PCR Diagnostica | Evoluzione diretta Picoiniettore PCR e diagnostica Amplificazione del DNA Selezione di microrganismi Lieviti in gocce | Cellule in gocce Dropspot Coalescenza Gradienti chimici Separazione di gocce Elettrocoalescenza | Scambio molecolare Gradienti chimici | ||
| PFPE-DMP | Cellule in gocce Coalescenza | Batteri in gocce | ||||
| Catene corte | Tensione superficiale ed emulsificazione | |||||
| Nessun surfactante | Batteri/antibiotici | |||||
| FluoSurf | Cellule in goccia PCR Diagnostica | Generazione di gocce acqua in olio Incapsulamento Sfere di alginato/poliacrilato/agarosio/epossidiche Coltura cellulare 3D in goccia PCR e diagnostica del DNA Analisi a singola cellula Sorting cellulare | Generazione di gocce acqua in olio Incapsulamento Sfere di alginato/poliacrilato/agarosio/epossidiche Coltura cellulare 3D in goccia PCR e diagnostica del DNA Analisi a singola cellula Sorting cellulare |
Compatibilità tra oli e materiali dei chip
La scelta dell'olio in base al materiale del dispositivo microfluidico è un parametro che non deve essere trascurato. L'olio si trova infatti a stretto contatto con le pareti dei canali e un'eventuale reazione chimica tra di essi potrebbe rivelarsi critica per il risultato finale atteso (ad esempio la formazione di gocce di dimensioni precise). Pertanto, la modifica del materiale del sistema microfluidico richiede anche un cambiamento dell'olio utilizzato. È infatti imperativo che l'olio bagni correttamente le pareti per formare gocce d'acqua nell'olio e non gocce d'olio nell'acqua. Questa breve sezione vi permetterà quindi di scegliere l'olio corretto per i materiali impiegati nella fabbricazione dei vostri dispositivi microfluidici.Oli fluorurati
La scelta più semplice rimane quella degli oli fluorurati, poiché sono compatibili con la maggior parte dei metalli, delle plastiche e degli elastomeri, il più noto dei quali è il FC 40. Sono inoltre altamente raccomandati nei dispositivi realizzati in Teflon/PEEK, in particolare per le applicazioni di nucleazione delle gocce al fine di avvicinarsi alla nucleazione omogenea [Ildefonso et al. 2013 J. Am. Chem. Soc.]. In questo caso, si tratterà di utilizzare un olio fluorurato di tipo FMS.Oli siliconici
Naturalmente, gli oli di silicone sono altamente raccomandati per i dispositivi microfluidici realizzati in silicone. Sono inoltre compatibili con il PDMS o con un nuovo materiale denominato COC (copolimero di olefina ciclica).Oli minerali
Per quanto riguarda gli oli minerali, sono disponibili pochissime informazioni in merito alla loro compatibilità con i materiali dei dispositivi microfluidici. Tuttavia, è stato segnalato che questi oli possono essere impiegati efficacemente con dispositivi realizzati in policarbonato (PC).Esempi dell'influenza dell'olio sui parametri delle gocCSE
Impatto della viscosità dell'olio sulle dimensioni delle gocce
In Yao et al. (2019), sono stati utilizzati rispettivamente acqua deionizzata con colorante rosso e olio minerale (Zhanhong Chemical Industry, Guangzhou, Cina) miscelato con un tensioattivo (Span-80, 7.5 g/L, Sigma-Aldrich, St. Louis, MI, USA) come fase dispersa e continua. Sono state testate quattro diverse viscosità (5, 7, 10 e 15 cSt) degli oli minerali per studiare come la diversa viscosità della fase continua influenzi la dimensione delle gocce e la frequenza di generazione delle stesse nelle emulsioni acqua-in-olio. Come si può osservare nella Figura 2 e nella tabella 4, la dimensione delle gocce diminuisce all'aumentare della viscosità dell'olio.| Pw :Po (mbar) | 5 cSt | 7 cSt | 10 cSt | 15 cSt |
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30 :40 60 :80 90 :120 120 :160 150 :200 |
68.3 ± 2.0 43.6 ± 2.1 37.1 ± 1.8 34.0 ± 1.9 32.1 ± 1.0 |
57.0 ± 1.7 39.5 ± 1.8 33.4 ± 2.0 30.7 ± 0.9 29.1 ± 1.1 |
51,0 ± 1,7 35,5 ± 1,7 31,0 ± 1,0 28,1 ± 1,0 26,9 ± 1,1 |
46,3 ± 1,8 32,2 ± 0,9 28,9 ± 0,9 26,0 ± 1,1 25,1 ± 1,3 |
Tabella 4 : Diametro medio delle gocchie con diverse viscosità dell'olio e pressioni di flusso (µm) tratto da Yao et al. 2019 Micromachine
Impatto della viscosità dell'olio sulla frequenza di generazione delle gocchie
Come mostrato nella tabella 5 e nella Figura 3, lo studio di Yao et al. 2019 evidenzia che il numero di gocchie generate per unità di tempo diminuisce all'aumentare della viscosità dell'olio in tutte le condizioni di pressione di flusso testate, mostrando forti correlazioni lineari (R2 > 0,99 per tutte le condizioni di pressione di flusso).| Pw :Po (mbar) | 5 cSt | 7 cSt | 10 cSt | 15 cSt |
|
30 :40 60 :80 90 :120 120 :160 150 :200 |
76 ± 1 157 ± 0 239 ± 8 275 ± 3 581 ± 12 |
66 ± 1 126 ± 2 215 ± 6 334 ± 6 499 ± 12 |
54 ± 1 107 ± 3 182 ± 6 283 ± 3 411 ± 12 |
45 ± 0 93 ± 2 149 ± 1 223 ± 3 305 ± 8 |
Tabella 4: Tasso medio di generazione di gocciole in funzione di diverse viscosità dell'olio e pressioni di flusso (µm), tratto da Yao et al. 2019 Micromachine.
Conclusione
La scelta dell'olio dipenderà essenzialmente dalla vostra applicazione. Tuttavia, è necessario prendere in considerazione altri parametri, come la compatibilità olio-tensioattivo e olio-materiale. Poiché i parametri fisici della fase continua possono influenzare il risultato atteso, è importante considerare, ad esempio, la viscosità dell'olio.
