Il termine “microfluidica” indica sia la scienza che le tecniche alla base della gestione dei flussi su microscala. A queste dimensioni, la dinamica dei fluidi cambia radicalmente rispetto a quella che osserviamo nella vita quotidiana: ad esempio, i flussi d’acqua sono laminari, il che significa che non si mescolano né formano vortici o turbolenze. Questa e altre caratteristiche uniche sono alla base della rivoluzione che la microfluidica ha portato nel mondo della scienza. Per controllare e confinare i fluidi su microscala, si utilizzano chip microfluidici.
Che cos’è un chip microfluidico?
Si tratta di dispositivi in cui vengono stampati o incisi schemi di microcanali. Inoltre, sul chip possono essere integrati elementi di controllo del flusso attivi o passivi, come membrane o valvole, al fine di gestire con precisione i fluidi. Pertanto, i chip microfluidici consentono di integrare in un unico dispositivo di dimensioni microscopiche diverse funzioni che generalmente richiedono un intero laboratorio. Ecco perché la microfluidica, e in particolare i chip microfluidici, vengono spesso definiti «laboratorio su chip». Di seguito verrà fornita una breve panoramica dei materiali più comunemente utilizzati per la produzione dei chip microfluidici.
Materiali per chip microfluidici
Nel corso degli anni sono stati impiegati diversi materiali, quali vetro, silicio e polimeri, per la produzione di dispositivi microfluidici. Questi possono essere classificati principalmente in: inorganici, polimerici e cartacei. Ovviamente, non esiste un materiale “perfetto”, poiché ciascuno di essi presenta vantaggi e svantaggi quando viene impiegato nella microfluidica. In definitiva, è l’applicazione a guidare il ricercatore nella scelta. In questo capitolo verranno brevemente esaminati i materiali più comunemente utilizzati nella microfluidica. Il lettore più curioso potrà trovare ulteriori informazioni in numerose eccellenti pubblicazioni sull’argomento, come quelle di Nge et al. 2013 e We et al. 2013.
Polimeri
I polimeri sono ampiamente utilizzati nella fabbricazione di dispositivi microfluidici grazie alle loro buone prestazioni biochimiche e al basso costo. Tra questi, uno dei più utilizzati è il PDMS. L’acronimo PDMS sta per polidimetilsilossano, un polimero organo-minerale della famiglia dei silossani. Questo materiale è presente negli alimenti come additivo (E900), nei prodotti cosmetici e negli oli lubrificanti. I motivi che rendono il PDMS un ottimo materiale per la fabbricazione di chip sono diversi; di seguito ne riassumiamo i principali:
- Trasparenza: i microcanali e i loro contenuti sono visibili direttamente
- Elasticità: il PDMS è piuttosto elastico e questa proprietà può essere sfruttata per diverse applicazioni, ad esempio l’integrazione di valvole tramite la deformazione dei canali. Inoltre, la sua elasticità può essere “regolata” utilizzando agenti reticolanti
- Costo: il PDMS è molto più economico rispetto ad altri materiali utilizzati per la produzione di chip microfluidici;
- Permeabilità: il PDMS è permeabile ai gas e può essere utilizzato nella coltura cellulare, nei sensori di gas, ecc…
Ovviamente, l’uso del PDMS nella fabbricazione di chip microfluidici presenta anche alcuni limiti. Alcuni esempi sono: l’invecchiamento del materiale, che ne limita le prestazioni nel corso degli anni, e la scarsa compatibilità chimica con molti solventi organici, che rende il PDMS adatto principalmente ad applicazioni in ambiente acquoso.
Inoltre, il PDMS assorbe molecole idrofobiche e vapore acqueo che possono poi essere emessi accidentalmente durante l’esperimento. Un altro svantaggio dei dispositivi microfluidici in PDMS è l’impossibilità di integrare elettrodi all’interno del chip, anche se questo problema può essere aggirato posizionando gli elettrodi sul vetrino di copertura anziché sul chip stesso. Maggiori informazioni sul PDMS e sulla sua applicazione alla microfluidica sono disponibili sul sito di Elvesys. Come accennato in precedenza, sebbene il PDMS consenta una produzione rapida e semplice di chip microfluidici, presenta diversi limiti che ne impediscono l’uso in alcune applicazioni. Per superare questi limiti, pur continuando a beneficiare di una produzione economica e veloce, è possibile utilizzare altri polimeri per la realizzazione di dispositivi microfluidici. Un esempio di altro polimero utilizzato per i chip microfluidici è il polistirene (PS), un polimero di uso comune nella ricerca farmaceutica per le piastre di coltura cellulare. Il PS è otticamente trasparente, biocompatibile, inerte, rigido e la sua superficie può essere facilmente funzionalizzata.
💡 La sua superficie idrofobica può essere facilmente resa idrofila con vari metodi fisici e chimici, tra cui:
scarica a corona, plasma gassoso e irradiazione. Altri polimeri spesso utilizzati per i dispositivi microfluidici sono il polimetilmetacrilato (PMMA) e il policarbonato (PC). Il PC presenta una resistenza termica superiore rispetto al PMMA e può quindi essere utilizzato in un intervallo di temperature più ampio. Il PMMA è un elastomero che presenta una deformazione minima rispetto al PDMS e viene quindi impiegato quando è richiesta rigidità, ad esempio per la realizzazione dei canali delle microvalvole. Se desiderate saperne di più sui rivestimentiidrofili/idrofobici, date un’occhiata alla nostra rassegna completa qui! 😉
Chip microfluidici in silicio e vetro
Uno dei primi materiali utilizzati nella microfluidica è stato il silicio. Ciò è dovuto allo stretto legame tra i primi chip microfluidici e l’industria microelettronica, dove il silicio era ed è tuttora uno dei materiali più utilizzati. I vantaggi del silicio nelle applicazioni microfluidiche risiedono nella sua conduttività termica, nella stabilità superficiale e nella compatibilità con i solventi. Lo svantaggio principale dei chip microfluidici in silicio è la loro opacità ottica nello spettro elettromagnetico visibile, che rende impossibile il rilevamento ottico.
Un altro materiale all’avanguardia nella produzione di chip microfluidici è il vetro. Questo materiale presenta gli stessi vantaggi del silicio sopra menzionati. In particolare, le sue ben note proprietà chimiche superficiali, la trasparenza ottica superiore e l’eccellente resistenza alle alte pressioni lo rendono la scelta migliore per molte applicazioni. Il vetro è inoltre biocompatibile, chimicamente inerte, idrofilo e consente di applicare rivestimenti in modo efficiente. Il principale svantaggio dei chip microfluidici in vetro è il costo piuttosto elevato della materia prima.
Chip microfluidici su supporto cartaceo
Ultimamente, anche la carta è stata presa in considerazione come potenziale materiale per la fabbricazione di chip microfluidici. Il motivo principale è che la carta è una materia prima molto economica. Tuttavia, i vantaggi dell’utilizzo della carta per le applicazioni dei dispositivi microfluidici vanno ben oltre i costi estremamente bassi. Infatti, la carta è sottile, leggera e facile da conservare, manipolare e trasportare. Inoltre, è compatibile con i campioni biologici e può essere trattata chimicamente per legarsi a molecole o proteine. Ultimo ma non meno importante, la carta è facile da smaltire dopo l’uso, il che la rende un materiale molto ecologico per i chip microfluidici. Il principale svantaggio nell’utilizzo di dispositivi microfluidici a base di carta è la difficoltà nel realizzare la struttura dei canali sul chip. Infatti, non esiste un metodo di strutturazione “perfetto”, poiché ciascuno comporta un compromesso tra costo, praticità e risoluzione che deve essere valutato caso per caso.
