La scelta del materiale giusto per lo sviluppo di dispositivi microfluidici è fondamentale e non trascurabile, poiché il materiale scelto deve combinare qualità ottiche simili a quelle del vetro (o, idealmente, della silice fusa) per garantire un rilevamento ottimale, proprietà superficiali che impediscano l’adsorbimento delle biomolecole e l’elettroosmosi, nonché la capacità di riprodurre accuratamente strutture di dimensioni micrometriche.
Il (poli)dimetilsilossano (PDMS), il poli(metilmetacrilato) (PMMA), il policarbonato (PC), il polistirene (PS), la poliimmide e il polietilene (PE) sono alcuni dei materiali polimerici comunemente utilizzati per la produzione di chip. Tra questi, il PDMS è il substrato più diffuso. Più recentemente, la resina SU-8 ha fatto il suo ingresso nel mercato della microfabbricazione dei chip microfluidici. Anche il copolimero di olefine cicliche (COC) e il polietilenglicole diacrilato (PEGDA) sono materiali ampiamente utilizzati per la produzione di chip microfluidici.
In questa rassegna, il nostro team di esperti ti offre una panoramica completa dei materiali più utilizzati nella microfluidica, in modo che tu possa scegliere quello più adatto alla tua applicazione.
I materiali più comunemente utilizzati nella microfluidica
La realizzazione con i polimeri è semplice e il loro impiego come materiali riduce i tempi, la complessità e i costi della prototipazione e della produzione. In generale, i sistemi microfluidici vengono realizzati mediante stampaggio e incollaggio di repliche in elastomeri come il PDMS o in termoplastici quali il PMMA o il PC. Altri materiali stanno riscuotendo un successo sempre maggiore nel campo della microfluidica, come il COC o il SU-8. Questi polimeri devono il loro successo a quattro proprietà essenziali: biocompatibilità, trasparenza, basso costo e, naturalmente, l’assenza di diritti d’autore.
Polidimetilsilossano o PDMS
Una percentuale significativa dei dispositivi microfluidici è realizzata in PDMS. Uno dei principali vantaggi di questo materiale è la sua elevata trasparenza ottica nella gamma del visibile e dell’ultravioletto, che lo rende adatto a numerose applicazioni basate sulla fluorescenza. Un altro punto di forza del PDMS è la sua permeabilità ai gas, che consente la coltura di cellule nei dispositivi microfluidici realizzati con questo materiale. La produzione è inoltre facilitata dal PDMS, poiché i chip vengono semplicemente realizzati da uno stampo con il rilievo negativo del motivo desiderato. Il motivo prestrutturato può essere ottenuto utilizzando tecniche standard di fotolitografia, e per l’assemblaggio dei chip in PDMS è richiesta anche un’infrastruttura minima di camera bianca. Il PDMS si presta bene alle tecniche di prototipazione, rendendolo un materiale di scelta nella microfluidica.
Al di là di tutti i suoi vantaggi, sono stati segnalati alcuni svantaggi nell’uso del PDMS come dispositivo per l’assorbimento di farmaci[Regehr KJ et al. 2009 Lab Chip]o di altre molecole quando il PDMS si ossida[McDonald et al. 2000 Electroph.], il che ha spinto i ricercatori a realizzare dispositivi con altri materiali. Altri svantaggi riscontrati con il PDMS sono, ad esempio, il rigonfiamento in presenza di solventi organici (che limita la gamma di applicazioni microfluidiche), la bassa resistenza meccanica (che porta al collasso delle strutture con elevato rapporto di aspetto all’interno del dispositivo) e i trattamenti superficiali instabili[Paul et al. 2007 Electroph.].
Polimetilmetacrilato o PMMA
Il PMMA è un termoplastico trasparente il cui monomero è il metilmetacrilato (MMA). Questo polimero è meglio conosciuto con il suo primo nome commerciale, Plexiglas. Il PMMA presenta numerosi vantaggi, quali la trasparenza, la resistenza e il fatto di essere amorfo. Consente quindi un’eccellente trasmissione della luce, fino al 92% della luce visibile, ovvero più del vetro[sito web Good Fellow].
Il PMMA è relativamente sensibile ai graffi (più delle lenti minerali tradizionali) e diventa fragile quando contiene additivi. Presenta inoltre una resistenza relativamente scarsa a molte sostanze chimiche e si dissolve in molti solventi organici. Tuttavia, la sua stabilità ambientale è superiore a quella della maggior parte delle altre materie plastiche.
Policarbonato o PC
Il PC è un polimero termoplastico. Rispetto ad altri materiali utilizzati nella microfluidica, come ad esempio il COC (copolimero di olefine cicliche), è meno idrofobo e i canali presentano quindi un comportamento di riempimento migliore. Idealmente, viene utilizzato per applicazioni ad alta temperatura come la PCR.
Il vero svantaggio del policarbonato è la sua fluorescenza intrinseca relativamente elevata, rispetto ad esempio al PMMA. Questo svantaggio è davvero penalizzante per la microscopia a fluorescenza e ne limita quindi l'impiego.
Copolimero di olefine cicliche o COC
Il copolimero di olefine cicliche (COC) è un polimero amorfo. Il COC rappresenta una classe di polimeri relativamente nuova rispetto a materiali di uso comune come il polipropilene e il polietilene. Il copolimero di olefine cicliche è un materiale particolarmente adatto alle applicazioni microfluidiche. Infatti, l’elenco dei suoi vantaggi è lungo e comprende una buona biocompatibilità, un basso assorbimento d’acqua, una buona resistenza chimica e un’elevata trasparenza nella gamma dell’UV profondo.
Grazie ai suoi numerosi vantaggi, il COC può ovviamente essere utilizzato per la produzione di chip in molti ambiti, ad esempio per l’analisi di parametri quali i gas ematici, la concentrazione di glucosio e lattato o per la determinazione dei livelli di ematocrito. Inoltre, poiché le pareti dei canali sono trasparenti ai raggi UV, consentono l’uso di iniziatori UV come il benzofenone, ampiamente utilizzato per il Western blotting.
Resina SU-8
L’SU-8 è una resina fotosensibile negativa comunemente utilizzata nella produzione di microsistemi. La resina SU-8 è composta da resina epossidica, carbonato di propilene, un iniziatore triarilsolfonico e un solvente organico. Grazie alla sua composizione, l’SU-8 è quindi un polimero altamente viscoso che viene steso con uno spessore compreso tra 1 micrometro e 2 millimetri e generalmente lavorato mediante fotolitografia. Viene sempre più utilizzata per la produzione di stampi, poiché presenta un’eccellente stabilità chimica nei confronti di numerosi acidi e basi, oltre a un’elevata stabilità termica. Inoltre, la SU-8 è meccanicamente affidabile, otticamente trasparente e idrofila. Queste proprietà rendono quindi la SU-8 un materiale molto interessante per un’ampia gamma di applicazioni, quali naturalmente quelle microfluidiche, ma anche per la microottica, la microlavorazione, il packaging o le applicazioni analitiche.
L'SU-8 viene utilizzato raramente come chip autonomo, ma piuttosto come stampo in combinazione con altri materiali quali il PDMS o il silicone.
Idrogel di polietilenglicole o PEG
I PEG sono idrogel che offrono vantaggi significativi rispetto ad altri biomateriali. Infatti, essendo sintetici, consentono un controllo assoluto delle proprietà meccaniche, quali il modulo di elasticità e la velocità di degradazione, a differenza dei biomateriali naturali. Ciò significa anche che i PEG presentano una minore variabilità da lotto a lotto rispetto ai materiali di origine naturale. La composizione chimica di questi idrogel li rende altamente idrofili, resistenti all’adsorbimento proteico e biocompatibili. Esistono diversi gruppi chimici che possono essere incorporati nei macromeri PEG per facilitare la polimerizzazione e la reticolazione (acrilato, metacrilato, etere vinilico, norbornene, ecc.)[Amy H et al. 2013 Chem J].
Tra le proprietà dei materiali che possono rivestire un’importanza fondamentale figurano la lavorabilità, la carica superficiale, l’adsorbimento molecolare, la mobilità nel flusso elettroosmotico, le proprietà ottiche e molte altre. La scelta del substrato è quindi fondamentale sia per il processo di produzione che per il corretto funzionamento del dispositivo. Per aiutarvi nella scelta, Darwin Microfluidics offre un’ampia gamma di dispositivi microfluidici che combinano diversi design e materiali compatibili con una vasta gamma di applicazioni.
