La rivoluzione della microfluidica nel mondo della ricerca, indipendentemente dall’applicazione, ha portato a un’esplosione della gamma di materiali e processi utilizzati per la produzione di questi dispositivi. Oggi, il processo litografico e le sue varianti sembrano essere i più ovvi, vista la predominanza dei dispositivi microfluidici realizzati con polimeri come il PDMS. In questa rassegna, ci concentreremo sui principali processi di microfabbricazione dei polimeri nella microfluidica.
Fotolitografia
La fotolitografia è una tecnica di produzione economica, semplice, veloce e affidabile, poiché consente di ottenere motivi in modo uniforme. Questa tecnica utilizza una miscela di precursore di idrogel e fotoiniziatore. Questi, una volta esposti alla luce ultravioletta (UV), subiscono una reazione di reticolazione (Figura 1). Il vantaggio di questa tecnica consiste nel fatto che l’esposizione ai raggi UV del precursore dell’idrogel può essere controllata utilizzando una fotomaschera su cui sono prestampati i modelli desiderati [Rivest C et al. 2007 J Mech Mater Struct]. Una volta completata la reticolazione fotoindotta, il polimero che non ha reagito viene semplicemente lavato via. La fotolitografia consente risoluzioni dell’ordine dei millimetri ai micrometri, il che offre infinite possibilità di ricerca, specialmente nell’ingegneria tissutale.
Inoltre, può essere utilizzata in combinazione con altre tecniche, il che la rende molto diffusa. Gli svantaggi di questa tecnica sono la necessità di utilizzare precursori polimerici fotopolimerizzabili e la possibilità di danni al DNA nelle cellule causati dal fotoiniziatore, che forma radicali liberi quando esposto alla luce UV [Slaughter BV et al. 2009 Adv Mater].
Litografia morbida
Anche la litografia morbida è un metodo ampiamente utilizzato per la produzione di polimeri dalla forma e dalle dimensioni controllate (Figura 1).
La litografia morbida, che comprende la stampa a microcontatto (μCP), lo stampaggio a microtrasferimento (μTM), lo stampaggio a replica (REM), lo stampaggio microcapillare (MIMIC), lo stampaggio a iniezione e molti altri processi [Sahin et al. Fundamental Biomaterials: Metalli], può essere impiegata in una moltitudine di applicazioni, quali biosensori, orientamento dell’adesione cellulare, screening farmacologico, selezione cellulare e ingegneria tissutale.
Il principio della litografia morbida consiste nella modellazione o nella stampa di motivi costituiti da molecole biologiche con una distribuzione spaziale e una topografia ben controllate [2]. Questa tecnica viene utilizzata principalmente per produrre polimeri su microscala dalla forma controllata. Nello specifico, uno stampo elastomerico modellato viene posizionato su una soluzione liquida di prepolimero, che viene poi lasciata polimerizzare, fornendo così le caratteristiche complementari dell’idrogel. Durante questo processo, il liquido riempie i motivi presenti sulla replica elastomerica grazie ai fenomeni di tensione superficiale e flusso capillare.
Numerosi vantaggi rendono questa tecnica ampiamente utilizzata, quali la facilità di accesso, la semplicità, l’economicità, la flessibilità, la versatilità e l’efficienza in termini di tempo. Questa tecnica consente un controllo preciso delle dimensioni e della forma delle strutture create [16] e non richiede strumentazioni costose [Whitesides GM 2001 Annu Rev Biomed Eng]. Tuttavia, la litografia morbida presenta dei limiti con substrati di idrogel reticolati ionicamente o chimicamente, come il chitosano o l’alginato [Franzesi GT et al. 2006 J Am Chem Soc].
Il PDMS è il materiale di elezione per la realizzazione di stampi di dimensioni micrometriche. Il PDMS viene prodotto miscelando un elastomero siliconico e un agente indurente, che viene poi versato su una matrice micro-modellata e indurita termicamente. Ciò produce la replica corrispondente da utilizzare per la micro-modellazione finalizzata alla produzione di microstrutture in idrogel [Shin H 2007 Biomaterials]. Come già menzionato nella rassegna sui materiali, il PDMS è un elastomero poroso e biocompatibile, particolarmente indicato per l’uso nelle colture cellulari. Inoltre, la sua superficie può essere resa idrofila mediante l’uso di un depuratore al plasma. Oltre al PDMS, negli studi di stampaggio vengono utilizzati anche poliimmidi, resine epossidiche e poliuretani.
Biostampa
La biostampa è una tecnica basata sulla progettazione assistita da computer (CAD). In questa tecnica, la deposizione dei polimeri viene effettuata tramite una stampante in modo controllato nel tempo e nello spazio (Figura 1) [Song SJ 2010 Artif Organs]. Le tecnologie basate sul CAD hanno recentemente acquisito popolarità nella produzione di scaffold porosi, così come la stampa 3D. In questo caso, le cellule possono essere introdotte nelle strutture secondarie durante la fase di stampa [Khalil S e Sun W 2009 J Biomech Eng]. Questa tecnica consentirà la generazione di microambienti 3D complessi utilizzando questi sistemi di biostampa, in cui le cellule sono incorporate nei polimeri per imitare i tessuti naturali [Song SJ 2010 Artif Organs].
Questo approccio consente un controllo di alta precisione sulla forma e sulle dimensioni delle caratteristiche (risoluzione dell’ordine di decine o centinaia di μm). Gli approcci più comuni al bioimprinting includono la stampa a getto d’inchiostro cellulare, la deposizione cellulare tramite siringa, la scrittura laser [Song SJ 2010 Artif Organs], il bioimprinting indotto dal laser [Guillotin B e Guillemot F 2011 Trend Biotechnol] e le tecnologie di prototipazione rapida [Buyukhatipoglu K et al. 2010 Tissue Eng Part C-Methods]. La stampa a getto d’inchiostro è una tecnica veloce ed economica, ma presenta molti svantaggi, quali le forze meccaniche esercitate sulle cellule e il fatto che gli ugelli di stampa possano ostruirsi a densità elevate [Guillotin B e Guillemot F 2011 Trend Biotechnol].
La bio-stampa assistita da laser (LAB), un’altra tecnica di bio-stampa, rappresenta un approccio utile per la stampa di cellule, polimeri o biomolecole. Questa tecnica utilizza uno strato intermedio che assorbe il laser e, pertanto, non consente l’interazione diretta tra l’inchiostro e il raggio laser [Guillemot et al. 2010. Nanomedicine].
Sistemi microfluidici
I sistemi microfluidici utilizzano un timbro elastomerico per creare dei canali attraverso un substrato, lungo i quali l'inchiostro scorre grazie al fenomeno capillare. Posizionando il timbro sul substrato, si forma una tenuta nel punto in cui il timbro è a diretto contatto con il substrato, impedendo alla soluzione di fuoriuscire dai canali.
I sistemi microfluidici offrono numerosi vantaggi rispetto alle tecniche convenzionali di produzione di idrogel su piccola scala. La microfluidica consente di produrre goccioline omogenee di diverse dimensioni. Il limite di questi sistemi è che non sono scalabili e consentono di ottenere principalmente particelle sferiche [Franzesi GT et al. 2006 J Am Chem Soc].
È stato riportato che, tramite piattaforme microfluidiche, sono state generate microfibre di idrogel continue con proprietà fisico-chimiche inadeguate [Kang et al. 2011 Nature Mater]. È stato inoltre utilizzato un chip microfluidico in combinazione con una tecnica di filatura per produrre fibre multifunzionali controllate su scala micrometrica. Queste fibre possono essere create con una topografia o una composizione chimica diversa. Possono inoltre contenere diversi tipi di cellule, consentendo una varietà di applicazioni cliniche.
Coltura cellulare 3D: vantaggi e svantaggi
[…] La bio-stampa, che utilizza bio-inchiostri per ricreare strutture tridimensionali, dagli scaffold agli organi. […]