Microfluidica

Con il termine di microfluidica si intende sia scienza che studia il comportamento dei fluidi attraverso microcanali, sia la tecnologia di fabbricazione di dispositivi microminiaturizzati contenenti camere e tunnel attraverso i quali scorrono o sono confinati i fluidi.

Secondo il chimico statunitense George Whitesides, una delle personalità più importanti in questo campo, la microfluidica rappresenta “la scienza e la tecnologia dei sistemi che elaborano o manipolano piccole quantità (da 10 –9 a 10 –18 L) di fluidi, utilizzando canali con dimensioni di decine di centinaia di micrometri”.

La tecnologia microfluidica può controllare e manipolare con precisione una piccola quantità di fluido su microscala, tipicamente in dimensioni submillimetriche in un ambiente confinato e limitato e integra più processi in un piccolo chip che normalmente richiede molte apparecchiature di laboratorio.

La microfluidica fornisce strumenti efficienti in molteplici aree di ricerca e, più specificamente, per l’analisi biologica per saggi ad alta produttività, multiplex e in parallelo, analisi più veloci grazie a reazioni e a tempi di separazione più brevi, bassi consumi di reagenti, misurazioni accurate che consentono di aumentare la risoluzione della misura in determinate applicazioni, riduzione dei costi globali per analisi.

Microfluidica e dispositivi

I dispositivi microfluidici sfruttano le proprietà fisiche e chimiche di liquidi e gas su microscala offrendo numerosi vantaggi rispetto ai sistemi di dimensioni convenzionali. La microfluidica consente l’analisi e l’utilizzo di volumi minori di campioni, sostanze chimiche e reagenti riducendo i costi globali delle applicazioni.

vantaggi della microfluidica
vantaggi della microfluidica

Molte operazioni possono essere eseguite contemporaneamente grazie alle loro dimensioni compatte, riducendo i tempi dell’esperimento. Offrono inoltre un’eccellente qualità dei dati e un sostanziale controllo dei parametri che consente l’automazione dei processi preservando le prestazioni.

Hanno la capacità sia di processare che di analizzare campioni con una minore manipolazione del campione eseguendo funzioni che vanno dal rilevamento delle tossine all’analisi delle sequenze di DNA o alla creazione di dispositivi di stampa a getto d’inchiostro.

I dispositivi microfluidici sono stati inizialmente fabbricati da materiali di silicio e vetro utilizzando tecniche di microfabbricazione sviluppate nell’industria dei semiconduttori, vale a dire fotolitografia e incisione. Frederick Stanley Kipping, il chimico britannico considerato il padre della chimica del silicio, iniziò a studiare i materiali oggi conosciuti in tutto il mondo come siliconi a partire dal 1899

Tuttavia, l’uso di materiali polimerici per la fabbricazione di dispositivi microfluidici è cresciuto esponenzialmente negli ultimi anni a seguito di un aumento significativo della disponibilità di materiali polimerici con diverse proprietà chimiche, meccaniche, elettriche e ottiche.

Chip microfluidici

La microfluidica ha fatto molta strada in un tempo relativamente breve grazie a numerosi progressi tecnologici provenienti da vari campi che hanno suscitato interesse nella ricerca e sono stati adattati per la produzione di chip.

chip
chip

Un chip microfluidico è un modello di microcanali, modellati o incisi. Questa rete di microcanali incorporata nel chip microfluidico è collegata al macroambiente da diversi fori di diverse dimensioni scavati nel chip ed è attraverso questi percorsi che i fluidi vengono iniettati e fatti fuoriuscire.

Il progetto della rete di microcanali deve essere elaborato con precisione per ottenere le caratteristiche desiderate e realizzare, tra l’altro, lab-on-a-chip, rilevamento di agenti patogeni, elettroforesi, analisi del DNA. I microcanali sono solitamente collegati a una pompa esterna per convogliare nanolitri di fluido mediante appositi tubi. I microcanali possono essere semplici come una linea retta o complessi come una rete di elementi separati da pareti sottili, membrane o valvole.

Lab-on-a-chip

Dal 28 al 30 novembre 2023 si è tenuto un congresso a Laguna Hills in California in cui sono state divulgati gli esiti delle ultime ricerche nel campo della microfluidica, con particolare attenzione alle diverse applicazioni del Lab-on-a-Chip, dalla ricerca nel campo delle scienze della vita alla diagnostica.

lab on chip
lab on chip

Con il termine di lab-on-chip si indica un dispositivo che integra funzioni multiple che si possono svolgere in laboratorio in un singolo chip microingegnerizzato. Le dimensioni ridotte dei dispositivi utilizzati comportano volumi di campione ridotti, tempi brevi per il trasferimento di massa su distanze ridotte proprietà dei materiali uniche derivanti dalle dimensioni su scala nanometrica dei materiali utilizzati nei sensori.

La combinazione di dispositivi lab-on-chip con spettroscopia Raman, di assorbanza o di fluorescenza apre la strada a test immunologici, identificazione e quantificazione di biomolecole, legame alla superficie biomolecolare e rilevamento di varie biomolecole. I componenti di un dispositivo lab-on-chip sono funzione della loro applicazione e si basano sul processo di analisi e sull’analita presente.

Ad esempio, lo sviluppo di dispositivi lab-on-chip basati su acidi nucleici per applicazioni diagnostiche richiede componenti in grado di eseguire la lisi cellulare per l’estrazione e la purificazione del DNA .

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