L'avvento della microfluidica ha portato all'integrazione di dispositivi micro e nanofluidici in numerose applicazioni, quali le analisi biomediche e chimiche.
I dispositivi micro e nanofluidici con canali di dimensioni molto ridotte (dell’ordine dei µm) offrono vantaggi interessanti in termini di minor consumo di campione e maggiore sensibilità grazie all’utilizzo di piccoli volumi (micro/nano litri), il che consente di ottenere un rapporto superficie/volume piuttosto elevato. Lo sviluppo delle nanotecnologie e dei sistemi micro/nanoelettromeccanici (MEMS, NEMS) consente inoltre di produrre e integrare con estrema facilità componenti microelettronici.
In questa rassegna esamineremo diversi metodi per integrare pompe e valvole su un chip microfluidico, attraverso vari esempi tratti dalla letteratura.
Realizzazione di un sistema di microvalvole manuali in PDMS
Le valvole utilizzate nella microfluidica si basano generalmente sui seguenti tipi di strutture di controllo: meccanismi di azionamento, pneumatica, elettrocinetica, cambiamento di fase o applicazione di una forza esterna.
Esistono due tipi di valvole a seconda delle loro caratteristiche: valvole attive e passive. La loro classificazione dipenderà quindi dalla presenza o meno di parti mobili meccaniche o non meccaniche.
In questo esempio, i ricercatori hanno deciso di realizzare autonomamente la valvola. Il principio di funzionamento della valvola si basa sulla struttura meccanica (realizzata in Plexiglas®) e sui materiali flessibili (PDMS), come illustrato nella figura 1.
La valvola è costituita da una parte attiva composta da un microcanale e da una pellicola sottile in PDMS (figure 1(a) e 1(b)). Il film di PDMS è stato realizzato con uno spessore di 100 µm e fissato alla parte superiore del canale mediante funzionalizzazione in un depuratore al plasma. Il microcanale è stato realizzato in PDMS con le seguenti dimensioni: 1 × 0,05 × 10 mm, mediante una tecnica di litografia morbida.
La struttura meccanica per l’apertura e la chiusura del flusso è stata realizzata combinando due componenti: una vite (di circa 3 mm di diametro, con passo della filettatura di 0,5 mm) viene fatta passare attraverso un foro filettato in una lastra di plexiglas, a sua volta fissata a una seconda lastra; un elemento in PDMS (di circa 2,5 mm), più piccolo del foro della vite, si muove liberamente all’interno di tale foro. Il componente in PDMS impedisce alla testa della vite di rompere la pellicola di PDMS durante il processo di lavorazione.
Per quanto riguarda la valvola, vi sono due strutture principali costituite da parti in PDMS e Plexiglas®, come illustrato nella figura 1(d). La parte in PDMS comprende l’elemento con i canali (per le valvole a canale) e una piastra intermedia in PDMS con diversi fori dello stesso diametro delle viti. Entrambe le strutture meccaniche sono state realizzate in Plexiglas®; la prima parte è stata progettata con fori filettati, mentre la seconda parte costituisce un supporto inferiore che, combinato con la prima parte (come un morsetto), consente il fissaggio di tutti gli elementi delle strutture del sistema valvolare.
Per ulteriori informazioni su questo progetto, vi invitiamo a leggere l'articolo Le T N et al. 2020, Adv. Polym. Technol.
Dobbiamo ammettere che questo metodo è ingegnoso, pratico ed economico, ma non può essere applicato in tutti i casi, soprattutto per quanto riguarda la presenza della vite. Infatti, alcune applicazioni richiedono un livello molto elevato di integrazione e prestazioni. Vedremo quindi in un altro esempio cosa è possibile fare in fase di prototipazione.
Circuito integrato "cuore/tumore" per riprodurrein vitro gli effetti collaterali dei farmaci antitumorali
Per molto tempo, la tecnologia "lab-on-a-chip" è stata utilizzata principalmente per analisi e rilevamenti biochimici, ma recentemente è stata impiegata anche a fini diagnostici.
Pertanto, con l’evolversi delle tecnologie, sta diventando possibile compiere progressi verso la realizzazione di un sistema diagnostico portatile. Oltre ai sistemi microfluidici, sono necessari pompe, elettrodi, valvole e campi elettrici. Tutto ciò può essere realizzato ricorrendo alla microelettronica integrata.
In questo esempio, il team ha sviluppato un dispositivo microfluidico — un “Integrated Heart/Cancer on a Chip” (iHCC) — utilizzando cellule cardiache umane sane (hCM) e cellule tumorali epatiche (HepG2) per riprodurre gli effetti collaterali di un farmaco antitumorale, la doxorubicina (DXR), al fine di ottenere colture separate di cellule provenienti da tessuti diversi su un unico dispositivo dotato di tre circuiti di circolazione sanguigna artificiale, mentre la tecnologia di microfabbricazione per microvalvole e una pompa garantisce un funzionamento fluido e preciso.
Per la realizzazione dell’iHCC, il team ha scelto di utilizzare il PDMS, in particolare per la sua biocompatibilità, la buona permeabilità ai gas e la buona trasparenza alla luce.
Il cosiddetto strato di infusione contiene due camere di coltura cellulare (larghe 2,1 mm e alte 220 mm), sufficienti a fornire i fattori di crescita necessari e il farmaco antitumorale, nonché a ridurre lo stress da taglio.
Sono stati realizzati dei microcanali per collegare tra loro le due camere di coltura cellulare (larghe 150 mm, alte 45 mm) tramite fori di ingresso e di uscita.
Il cosiddetto strato di controllo, anch’esso costituito da una membrana in PDMS sottile e flessibile (200 x 200 µm² e 20 µm di spessore), contiene valvole che consentono la coltura indipendente di due tipi di cellule senza contaminazione incrociata, nonché micropompe per il controllo preciso della portata del mezzo di coltura.
Pertanto, questo dispositivo comprendeva tre gruppi di due camere di coltura cellulare con un circuito di circolazione chiuso, per consentire tre trattamenti cellulari diversi ma simultanei all’interno dello stesso dispositivo (Figura 2).
Per ulteriori informazioni su questo progetto, vi invitiamo a leggere l'articolo diKamei K et al. 2017, pubblicato su RSC Adv.
Darwin Microfluidics dispone di un'ampia gamma di microvalvole e micropompe per la realizzazione di questo tipo di prototipo microfluidico. I nostri esperti hanno selezionato per voi i prodotti più adatti alla vostra applicazione nella tabella seguente.
| Tipo di prodotto | Dimensioni | Link al sito web di Darwin Microfluidic |
| Valvola a 2/2 o 3/2 vie Whisper , tipo 6724, di Bürkert | 8,9 mm di larghezza | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/2-2-or-3-2-way-whisper-valve-type-6724 |
| Valvola microfluidica a 2/2 vie “ Whisper ” tipo 6712 di Bürkert | 18,2 x 7,2 x 7 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/microfluidic-minimum-volume-solenoid-valve-burkert-type-6712 |
| Valvola microfluidica miniaturizzata a 2/2 vie di Memetis | 20 x 5 x 7 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/2-2-way-microfluidic-miniature-valve |
| Micropompe della serie BP7 di Bartels | 30 × 15 × 3,8 mm | https://darwin-microfluidics.com/products/bartels-bp7-micropump |
Con questa guida avrete tutte le informazioni necessarie per iniziare a realizzare prototipi microfluidici. Gli esperti di Darwin Microfluidics sono a vostra disposizione per fornirvi consulenza!
