Come evitare le bolle d'aria in un dispositivo microfluidico?

Probabilmente l'avete sperimentato tutti: la formazione di bolle d'aria nella microfluidica è un fenomeno molto comune e, nel peggiore dei casi, può compromettere completamente un esperimento che richiede diversi giorni.

In altri casi, pur senza compromettere l’esperimento, le bolle d’aria possono influenzare il risultato ottenuto, il che può risultare dannoso al momento della pubblicazione dei risultati. Queste bolle compaiono in momenti diversi: durante il caricamento del chip microfluidico, durante un intervento sullo stesso dispositivo microfluidico o dopo un periodo di riposo nell’incubatrice. Fortunatamente, oggi esistono dispositivi che consentono di manipolare il chip evitando la formazione di bolle d’aria.

In questa recensione, vedremo innanzitutto perché si formano queste bolle d’aria. Presenteremo poi alcuni consigli e accorgimenti per evitarle, oltre a dispositivi che garantiranno l’assenza di bolle nel vostro dispositivo microfluidico.

Perché si formano le bolle d'aria?

Quando si decide di utilizzare la microfluidica come strumento principale per gli esperimenti scientifici, occorre tenere conto di numerosi parametri. Infatti, è probabile che si formi una bolla d’aria in presenza di piccole irregolarità superficiali (nuclei di Harvey), note come “catalizzatori”, in grado di intrappolare alcuni nanolitri d’aria. Questi pochi nanolitri d’aria possono rimanere intrappolati solo a condizione che l’angolo di contatto del liquido instillato in quel punto presenti una bassa bagnabilità. Le dimensioni di questa bolla variano al variare delle condizioni di temperatura e pressione.

La scelta dei materiali, il tipo di lavorazione e il rivestimento saranno determinanti per la formazione di bolle d’aria. Queste scelte assumeranno un’importanza ancora maggiore se il dispositivo microfluidico è di fabbricazione artigianale.

Purtroppo, questo non è l’unico modo per generare bolle d’aria nel dispositivo microfluidico. Infatti, l’altro modo consiste nell’introdurre la bolla d’aria all’interno del dispositivo, non intenzionalmente ovviamente, ma intervenendo sul chip stesso. L’esempio più comune è l’immissione di una seconda soluzione (farmaco, coloranti, cellule,…) tramite un tube e. Questa fase è fondamentale, poiché dimenticare una bolla d’aria nell’ tube e ne consentirà l’introduzione e potenzialmente la migrazione verso un’altra regione del dispositivo, compromettendo così l’esperimento.

Durante gli esperimenti microfluidici possono formarsi bolle d’aria se uno o più raccordi presentano perdite. Diversi utenti hanno inoltre segnalato che il PDMS, essendo un materiale poroso, possa introdurre bolle d’aria all’interno del dispositivo microfluidico, specialmente con l’uso prolungato.

Infine, un altro aspetto fondamentale è rappresentato dal gas disciolto. Infatti, il gas presente in forma gassosa nei liquidi utilizzati durante l'esperimento può causare la formazione di bolle d'aria in caso di variazioni improvvise di temperatura e pressione.

Le variazioni di pressione possono inoltre causare il desorbimento di uno strato d'aria presente sulla parete di un microcanale.

💡Consigli e trucchi per evitare la formazione di bolle d'aria

• Quando si aggiunge un secondo liquido al chip, è necessario lasciare che la sua temperatura si stabilizzi alla temperatura del primo liquido presente nel chip. Una differenza di temperatura tra i due liquidi potrebbe aumentare le dimensioni delle bolle già presenti a causa dei nuclei di Harvey.
• La presenza di nuclei di Harvey si riscontra spesso quando si utilizza PDMS per la produzione di dispositivi microfluidici. Uno dei modi per evitare una bassa bagnabilità dell’angolo di contatto del fluido con la parete consiste nell’aumentare l’idrofilicità mediante un trattamento al plasma di ossigeno oppure funzionalizzando la superficie con l’aggiunta di gruppi idrofili (trattamento superficiale).
• Verificare la tenuta del sistema tra le diverse parti del chip, ma anche dell’intero dispositivo (connettori, ecc.). Come illustrato nella recensione sui volumi di microfluidica, i connettori sono fonte di volume morto ma anche di bolle d’aria. Per assicurarsi che la sigillatura sia eseguita correttamente, è possibile utilizzare colle o resine epossidiche.
• Un altro aspetto da considerare riguardo ai connettori è quello di ridurne il numero al minimo indispensabile.

Dispositivi per prevenire la formazione di bolle d'aria nei chip microfluidici

Se sei stanco di dover rinunciare ai tuoi esperimenti di microfluidica a causa delle bolle d’aria, allora questi dispositivi fanno proprio al caso tuo! In questa sezione, Darwin Microfluidics ha selezionato appositamente per te tre dispositivi per limitare la formazione di bolle d’aria.

Sistema di separazione a bolla

Il separatore a bolla è un dispositivo passivo che offre numerosi vantaggi, tra cui:

• Rimozione in linea delle bolle, con o senza collegamento “ vide ”
• Previene la formazione di bolle d'aria in prossimità delle cellule
• Sostituzione semplice delle membrane per evitare la contaminazione

Questo separatore a bolla è dotato di una PTFE membrana. La soluzione contenente le bolle viene immessa nel separatore e le bolle vengono rimosse attraverso una membrana microporosa in Teflon. È possibile, se lo si desidera, collegare una pompa vide all'uscita posteriore del separatore (modalità attiva) per aumentarne le prestazioni. Tuttavia, il separatore mostra solitamente prestazioni significative nella rimozione delle bolle nella maggior parte delle configurazioni anche senza il collegamento di una pompa (modalità passiva).