Le piattaforme basate sulla microfabbricazione e sulla microfluidica sono state impiegate con successo in una serie di applicazioni come la scoperta di farmaci, la reazione a catena della polimerasi (PCR), l'analisi single-cell o la cristallizzazione di proteine, solo per citarne alcune. Per tutte queste applicazioni, la produzione di gocce a dimensioni controllate e a tassi di generazione controllati risulta fondamentale per ottenere risultati interpretabili, affidabili e robusti. In effetti, le dimensioni delle gocce possono essere influenzate da molti fattori, come la tensione interfacziale o le dimensioni dei canali.
Oggi è stata sviluppata un'ampia gamma di geometrie che consentono la generazione di gocce in modalità passiva o attiva. In questa rassegna ci concentreremo sui design per la generazione di gocce più comunemente utilizzati.
Modalità passiva e attiva
Modalità passiva
I metodi microfluidici per la formazione di gocce possono essere di tipo passivo o attivo. Nei metodi passivi, il flusso bifase microfluidico è controllato da siringhe pompa (che erogano portate costanti) o regolatori di pressione senza immissione di energia supplementare. Durante la formazione delle gocce, una parte dell'energia introdotta dalle siringhe pompa o dai regolatori di pressione viene convertita in energia interfacziale e facilita così la destabilizzazione dell'interfaccia liquido-liquido, determinando il distacco di gocce discrete dalla fase dispersa [Seemann R. et al. 2012 Rep Prog Phys.]. In pratica, la fase fluida da disperdere viene spinta in un tube da un flusso pressure-driven in cui la portata volumetrica o la pressione applicata sono necessariamente controllate. Un secondo liquido immiscibile viene spinto in un tube separato tramite un flusso controllato in modo indipendente. I due flussi si incontrano alla giunzione. La geometria della giunzione e le portate volumetriche dei due fluidi determinano il campo di flusso, che deforma l'interfaccia [Christopher GF and Anna SL. 2007 J Phys Appl Phys].
Modalità attiva
In modalità attiva, è possibile modulare la generazione di gocce con un apporto energetico supplementare mediante controlli attivi che includono forze esterne come campi elettrici, magnetici o centrifughi e forze interne come forze viscose e capillari. Più precisamente, lo squilibrio energetico modula la natura del bilancio delle forze sull'interfaccia per la generazione delle gocce.
La generazione attiva di gocce può essere indotta da due tipi di forze: la modifica delle forze intrinseche o l'introduzione di forze addizionali. Le forze addizionali vengono sfruttate applicando campi esterni elettrici, magnetici e centrifughi, mentre la modifica delle forze inerziali, viscose e capillari intrinseche può essere eseguita manipolando la velocità dinamica e le proprietà dei materiali, tra cui viscosità, tensione interfacziale, bagnabilità del canale e densità del fluido [Chong ZZ et al. 2016 Lab Chip.].
Design dei chip per la generazione di gocce
Cross-flow con T-junction
Si parla di cross-flow quando i fluidi della fase dispersa e continua si incontrano a un angolo θ compreso tra 0 e 180° (vedere Fig. 1). Generalmente, la struttura a cross-flow è associata a una T-junction. Pertanto, i fluidi dispersi e continui vengono immessi in modo ortogonale.
Esistono tre regimi di generazione di gocce microfluidiche con T-junction: il regime di stillicidio (dripping), il regime di strozzamento (squeezing) e il regime di getto (jetting) (vedere Fig. 2). In linea di principio, le gocce generate con la modalità dripping sono più piccole della dimensione del canale e altamente monodisperse. Per quanto riguarda il regime di squeezing, le gocce sono più grandi del canale e monodisperse. Infine, con la modalità jetting, la generazione di gocce risulta polidispersa.
Il primo vantaggio del flusso incrociato è la facilità con cui è possibile formare gocce e l'uniformità delle gocce risultanti. In effetti, in un ampio intervallo di portate, è possibile ottenere una formazione di gocce regolare e periodica quando viene utilizzato un singolo canale a T. Tuttavia, in alcuni studi [Garstecki P et al. 2005 Nature Phys ; Barbier et al. 2006 Phys Rev.], emerge che le gocce non sono necessariamente regolari quando più generatori di gocce sono accoppiati a un singolo set di siringhe, il che può rappresentare un problema critico nel caso di uno studio in cui sia necessario controllare con precisione le dimensioni delle gocce.
Focalizzazione di flusso
La focalizzazione di flusso corrisponde alla formazione di gocce disperse di un fluido in un flusso continuo di un altro fluido. Esistono due varianti di sistemi microfluidici geometrici a focalizzazione di flusso: la semplice giunzione a croce e la giunzione a croce seguita da una strozzatura (chiamata anche ugello). Inoltre, è possibile distinguere una configurazione planare quasi-2D (vedere Fig. 3 (i) (ii)) e una configurazione 3D ad assialsimmetria (vedere Fig. 3 (iii) (iv)).
Rispetto ai dispositivi planari a focalizzazione di flusso, i dispositivi 3D a focalizzazione di flusso assialsimmetrica evitano problemi come la bagnatura delle pareti del canale da parte della fase dispersa, producendo quindi gocce monodisperse a portate più elevate.
Quindi, come per la geometria a flusso incrociato, è possibile distinguere tre diverse modalità: compressione, gocciolamento e getto (vedere Fig. 4). Il vantaggio dell'utilizzo della focalizzazione di flusso risiede nella sua semplicità in termini di geometria, da cui derivano le sue numerose variazioni di design. Tuttavia, non è disponibile un semplice modello meccanicistico in grado di prevedere le dimensioni delle gocce in un'ampia gamma di condizioni di flusso. Un altro problema noto è la fusione indesiderata delle gocce, che può essere prevenuta mediante l'uso di tensioattivi. Tuttavia, i tensioattivi possono anche interferire o inibire le reazioni biochimiche.
Interfaccia dinamica multicanale
Le geometrie più classicamente utilizzate nelle gocce microfluidiche sono la focalizzazione di flusso e le giunzioni a T. Va compreso che queste tecniche richiedono competenze tecniche avanzate e apparecchiature specializzate, il che può rappresentare una barriera per i laboratori non specializzati in microfluidica. Inoltre, le dimensioni delle gocce possono essere influenzate da molti fattori quali la viscosità del fluido, la tensione interfacziale, le dimensioni dei canali, ecc.
Qui viene utilizzata una semplice tecnica attiva (elettrica) per la generazione di gocce mediante il taglio interfacziale dinamico drive da un dispositivo meccanico (vedere Fig. 1). In pratica, i componenti liquidi convergono sull'ugello e generano gocce con il taglio interfacziale dovuto alla vibrazione di un capillare multicanale.
Uno dei primi vantaggi è che il dispositivo si basa semplicemente su un vibratore economico e su un capillare multicanale rastremato fatto a mano, che è facile da assemblare e utilizzabile da chiunque senza alcuna competenza nella generazione di gocce. L'altro vantaggio è che la tecnica mostra eccellenti prestazioni nella generazione di gocce uniformi con dimensioni e componenti pregettati. Sebbene la produzione e l'assemblaggio siano semplici, il fatto che i microcanali siano realizzati a mano può rappresentare un bias nella riproducibilità del dispositivo, ma può anche influenzare le dimensioni delle gocce generate da due diversi dispositivi che utilizzano le stesse impostazioni. Inoltre, questa tecnica è limitata a un numero ristretto di applicazioni biologiche, come gli studi sui batteri, poiché il diametro delle gocce diminuisce all'aumentare del numero capillare, a causa delle maggiori sollecitazioni viscose che agiscono deformando la goccia.
Conclusione
In questa rassegna abbiamo visto una parte molto ridotta delle geometrie esistenti e delle loro varianti per la generazione di gocce microfluidiche. Ciascuna di esse presenta caratteristiche uniche in termini di instabilità di flusso, dimensioni delle gocce o comportamenti delle gocce. Per una produzione efficace di gocce con il risultato desiderato, è importante avere una profonda comprensione degli effetti delle forze viscose, inerziali e capillari. Pertanto, poiché la precisa dipendenza delle dimensioni delle gocce dai parametri di flusso dipende dalla specifica geometria considerata, è importante tenere conto delle esigenze precise e dei vincoli dell'applicazione di ricerca desiderata per scegliere il design di generazione di gocce perfetto.
