Nella microfluidica, è fondamentale che i dispositivi presentino una superficie stabile e ben caratterizzata, soprattutto quando vengono utilizzati per applicazioni biomediche. In genere, i rivestimenti vengono classificati in due gruppi: covalenti e adsorbenti. In questa rassegna, presenteremo i rivestimenti più rilevanti utilizzati nella microfluidica per diversi materiali.
Quali parametri influenzano la scelta del rivestimento?
Il fluido che scorrerà attraverso i canali del vostro dispositivo entrerà in stretto contatto con la superficie tramite le pareti e sarà quindi molto sensibile alle proprietà chimiche della superficie stessa. Oltre alle proprietà chimiche, il materiale riveste un ruolo estremamente importante (qui potete trovare la nota applicativa sui diversi polimeri utilizzati per la microfabbricazione dei chip microfluidici) poiché il modo in cui reagisce al trattamento superficiale sarà un fattore determinante.
A questo punto occorre stabilire, ovviamente a seconda dell'applicazione, il risultato desiderato. Infatti, il rivestimento sarà diverso a seconda che si voglia far aderire delle cellule alla superficie o semplicemente far scorrere un fluido in modo che formi delle gocce all'uscita.
Infine, occorre tenere conto di un altro parametro: la tensione superficiale. Il cambiamento di scala dovuto alla miniaturizzazione provoca sconvolgimenti nell’importanza relativa dei fenomeni fisici che si riscontrano solitamente su scala macroscopica. Pertanto, nella microfluidica, gli effetti superficiali sono importanti e non possono essere trascurati. Il rapporto tra le forze superficiali e quelle volumetriche si evolve come l’inverso della lunghezza caratteristica del sistema. La sua rilevanza su scala micrometrica può portare alla comparsa di fenomeni particolari come l’instabilità di Rayleigh-Plateau. In sintesi, l’instabilità di R-Plateau (Figura 1) afferma che un cilindro di fluido si deforma e si frammenta spontaneamente per ridurre la propria energia superficiale. In termini molto generali, il film è instabile e si ondula con una determinata lunghezza d’onda. Successivamente, le ondulazioni continuano ad aumentare e alla fine si risolvono in diverse goccioline. Lo stato finale dell’instabilità è talvolta una successione di piccole gocce chiamate «satelliti».
Dopo aver esaminato tutti i parametri da tenere in considerazione, è ora il momento di illustrare nel dettaglio i vari tipi di rivestimento.
I diversi tipi di rivestimenti
Strategie di rivestimento covalente
I rivestimenti covalenti sono caratterizzati da un legame chimico che si forma tra un gruppo funzionale presente sulla superficie del substrato, ovvero le pareti dei canali microfluidici, e un gruppo funzionale dell’agente di rivestimento utilizzato. I rivestimenti covalenti sono apprezzati per la loro eccellente stabilità. Tuttavia, poiché devono essere adattati alla funzionalità superficiale disponibile del materiale utilizzato, ciò rende più difficile l’applicazione di strategie universali rispetto ad altri metodi di trattamento superficiale.
Strategie di rivestimento covalente per il PDMS
Una delle strategie di legame covalente più comunemente utilizzate consiste nel collegare derivati dell’alcossi-silano tramite superfici dotate di gruppi idrossilici, ottenendo così legami silossanici. Questo metodo è stato inizialmente applicato alle superfici di vetro e silice. Oggi viene impiegato anche nei dispositivi microfluidici a base di PDMS. Il vero vantaggio di questa tecnica risiede nel fatto che il legame può essere realizzato tramite uno o tre gruppi alcossi del silano reagente. Ciò consente quindi un corretto orientamento e una reticolazione stabile in superficie. Inoltre, la funzionalità del silano può essere regolata per ottenere la reattività chimica desiderata.
Strategie di rivestimento covalente per il PMMA
Per il PMMA sono state sviluppate numerose procedure di attivazione e accoppiamento superficiale, che consentono un’ampia gamma di funzionalità, consistenti principalmente nell’introduzione di gruppi amminici sulle superfici del PMMA (vedi figura 2). Una di queste consiste nel rivestimento con poli(etileneimmina) (PEI), un polimero amminico noto per migliorare il legame degli anticorpi alla superficie del PMMA [Bai et al., 2006 Langmuir].
Un altro esempio di trattamento superficiale del PMMA con funzionalità amminiche è l’attivazione di diammine litiate per legare i cianati di alchile al PMMA [Henry et al., 2000, *Analytical Chemistry*]. Questo metodo è stato utilizzato da Hashimoto et al. [2005, *Analytical Chemistry*; 2006, *Biosensors & Bioelectronics*] per migliorare il rilevamento delle mutazioni del DNA a singola base.
Strategie di rivestimento covalente del policarbonato
Un approccio per ottenere legami covalenti sul policarbonato prevede la formazione di gruppi carbossilici sulla superficie. Pertanto, è possibile ricorrere a un trattamento con raggi UV/ozono per indurre la formazione di gruppi COOH, finalizzata al legame con i gruppi amminici tramite attivazione con carbodiimmide [Li et al., 2007, Analytical Chemistry].
L'approccio sopra menzionato, che ha dato buoni risultati sul PMMA, può essere utilizzato anche per il policarbonato [Hashimoto et al. 2005 Analytical Chemistry, 2006 Biosensors & Bioelectronics]. L’attivazione superficiale con diammine litiate può essere impiegata anche con il policarbonato per l’accoppiamento del DNA su superfici microfluidiche, al fine di rilevare mutazioni di singole coppie di basi e migliorare così le applicazioni della reazione a catena della polimerasi (PCR) [Abdallah e Ros, 2013].
Strategie di rivestimento covalente del vetro
Le superfici in biossido di silicio (SiO₂) sono senza dubbio le più studiate per le applicazioni microfluidiche. Infatti, le loro proprietà superficiali si prestano a una vasta gamma di applicazioni, quali la microfluidica, la cromatografia capillare o l’elettroforesi capillare. Il vetro, la silice fusa e il quarzo possono essere tutti trattati utilizzando la stessa chimica di accoppiamento.
I gruppi silanolo presenti sulle superfici di SiO₂ reagiscono con gli alcossisilani formando un legame covalente stabile. Per il SiO₂ vengono utilizzati silani simili a quelli impiegati con il PDMS, che danno origine a reazioni covalenti per legarsi ad altre entità a seconda del gruppo terminale del silano utilizzato [Abdallah e Ros, 2013].
È possibile ricorrere a un’applicazione leggermente diversa dalla silanizzazione per immobilizzare gli anticorpi su microsfere di vetro, al fine di rilevare agenti patogeni in un microcanale [Lee et al., 2006, Bull. Korean Chem. Soc.].
Strategie di rivestimento adsorbente nella microfluidica
Le strategie di adsorbimento si basano sulle interazioni intramolecolari tra il materiale di rivestimento e la superficie del substrato. Possono essere mediate da diversi meccanismi, quali interazioni elettrostatiche, forze di van der Waals e/o interazioni idrofobiche. Uno dei principali vantaggi di questi rivestimenti è la loro facilità d’uso, poiché solitamente è sufficiente incubare i microcanali con una soluzione contenente l’agente di rivestimento per un determinato periodo di tempo. I rivestimenti adsorbenti sono ampiamente utilizzati e offrono prestazioni pari a quelle dei rivestimenti covalenti in termini di prevenzione del biofouling e dell’adsorbimento non specifico, oltre a fungere da molecole leganti per un migliore fissaggio delle biomolecole.
Rivestimento proteico nella microfluidica
Il rivestimento proteico è un approccio molto diffuso e ampiamente utilizzato per rivestire le superfici dei canali microfluidici. Ad esempio, secondo un metodo molto classico, il rivestimento con albumina sierica bovina (BSA) viene impiegato in biologia molecolare da diversi decenni per bloccare i siti superficiali e impedire l’adsorbimento non specifico.
La streptavidina è ampiamente utilizzata come molecola di legame poiché presenta un’elevata affinità nel legarsi alla biotina. Il legame biotina-streptavidina è quasi covalente e la piccola molecola di biotina può essere facilmente derivatizzata con altre molecole di legame o proteine [Abdallah e Ros, 2013]. Pertanto, questa coppia di legame ha trovato ampie applicazioni nelle scienze fisiche e biologiche e può essere utilizzata anche nelle strategie di adsorbimento per i rivestimenti superficiali microfluidici. L’uso di un derivato della streptavidina, la NeutrAvidina, rappresenta un metodo per rivestire facilmente il PDMS [Linder et al., 2001 Analytical Chemistry].
Rivestimenti polimerici adsorbenti nella microfluidica
La scelta del polimero da utilizzare per il rivestimento dipende in larga misura dalla superficie microfluidica, a causa delle variazioni nelle interazioni superficiali tra i materiali. È adatto a numerose applicazioni e, inoltre, poiché il vetro, la silice e il PDMS presentano una chimica superficiale simile, è possibile applicare strategie di rivestimento a base di polimeri simili.
È stato dimostrato che i metodi di rivestimento dinamico possono essere considerati più stabili rispetto all’immobilizzazione statica. Infatti, con questo metodo, la superficie del substrato viene costantemente rinnovata con il materiale di rivestimento. Inoltre, diversi materiali polimerici microfluidici sono stati sottoposti a procedure di rivestimento dinamico.
Ad esempio, nel caso del PMMA, è stato riportato che il rivestimento adsorbente dinamico a base di cellulosa consente l’uso a lungo termine (oltre 100 passaggi) di un singolo dispositivo microfluidico per l’elettroforesi del DNA [Abdallah e Ros, 2013].
Multistrati polielettrolitici nella microfluidica
I polielettroliti multistrato (PEM) trovano impiego in diverse applicazioni. Questo metodo si basa sulla trasmissione delle forze di interazione tra il rivestimento e la superficie del substrato attraverso interazioni elettrostatiche. Ciò ne garantisce la stabilità. Il vantaggio di questo metodo è che può offrire una durata di vita molto più lunga rispetto ad altre strategie di adsorbimento fisico.
Altre strategie di rivestimento nella microfluidica
Le due categorie sopra elencate (rivestimento covalente e adsorbente) comprendono molti dei trattamenti superficiali disponibili per i dispositivi microfluidici. Tuttavia, esistono anche altri approcci che possono essere utilizzati per modificare le proprietà superficiali dei dispositivi microfluidici, che illustreremo brevemente.
L'esposizione a gas reattivi presenti nel plasma può generare radicali che modificano la composizione chimica di una superficie. Ad esempio, nella microfabbricazione è prassi comune utilizzare specie reattive dell'ossigeno per modificare le superfici in PDMS e in vetro mediante trattamento UV o al plasma (con ossigeno o ozono). Nella maggior parte dei casi, questo tipo di trattamento è seguito da un rivestimento covalente, come la silanizzazione.
È possibile ricorrere anche a un altro metodo: la spruzzatura di metalli. Ad esempio, la spruzzatura e l’evaporazione dell’oro sulle superfici dei microcanali è una tecnica sviluppata nel campo della microfluidica. Le superfici rivestite d’oro fungono da modelli per i monostrati autoassemblati (SAM), sui quali è possibile applicare gruppi di teste tioliche [Abdallah e Ros, 2013].
Conclusione
I rivestimenti superficiali sono fondamentali per il successo di molti dispositivi microfluidici e per una vasta gamma di applicazioni. La varietà di materiali e strategie di rivestimento per i dispositivi microfluidici è enorme, e in questa sede abbiamo potuto presentarne solo alcuni. Tuttavia, grazie ai parametri illustrati nella prima parte di questa rassegna e ai brevi esempi di applicazione citati per ciascun rivestimento, avete a disposizione tutti gli elementi necessari per individuare il rivestimento ideale per la vostra piattaforma microfluidica.
Per ulteriori informazioni sulle possibili applicazioni a seconda del rivestimento, vi invitiamo a consultare gli articoli citati.
