Le piattaforme microfluidiche portatili semplificano il laboratorio multiplo su un chip
L’autore Leonard Mahlberg discute la rilevanza dei dispositivi lab-on-a-chip oggi in numerose applicazioni, ma principalmente in medicina. Questi dispositivi consentono analisi di laboratorio più veloci e convenienti, ma Mahlberg sottolinea la necessità di razionalizzazione e maggiore precisione nei sistemi microfluidici. Il loro lavoro è incentrato su una piattaforma che impiega il pompaggio indotto dalla tensione superficiale fondato sulla pressione di Young-Laplace. Questa modalità significa che il trasporto non può solo essere modificato facilmente, ma i fluidi si spostano senza la necessità di moduli esterni.
La microfluidica, che si tratti di microfluidica digitale (DMF) o microfluidica a flusso continuo (CFM), offre i seguenti vantaggi:
portabilità
Facilità d’uso
Basso consumo di campione
Tempi di reazione rapidi
Mahlberg afferma che la microfluidica si trova in una “posizione unica”, principalmente a causa delle porte che aprono per la medicina, nonché per la biologia e l’analisi ambientale. Le superfici idrofobiche possono essere create mediante diverse tecniche, tra cui litografia, rivestimento a spruzzo, rivestimento a rotazione, rivestimento a immersione e altro ancora, mentre le aree idrofiliche sono realizzate mediante “approcci diretti o indiretti”. Le bagnabilità consentono trappole di energia superficiale (SET), con conseguente fabbricazione di array di goccioline, insieme a canali e altri schemi.
“Si possono eseguire operazioni di analisi, estrazione o divisione quando si utilizzano SET. Un esempio di tale microarray con diverse capacità di bagnatura può essere trovato in natura sui gracilipes Stenocara nel deserto del Namib “, spiega Mahlberg. “Questa specie di coleotteri possiede protuberanze / canali idrofili modellati circondati da aree idrofobiche situate sulle sue ali e sul suo dorso, permettendole di raccogliere l’acqua nell’aria circostante, che rotola giù le ali e conduce alla sua bocca.”
La microfluidica digitale consente di miscelare e manipolare le goccioline attraverso:
Azionamento magnetico
dielettroforesi
Superfici (super) idrofiliche (super) idrofobiche e elettro-su-dielettrico (EWOD)
I dispositivi CFM sono “più importanti”, consentendo di concentrarsi sull’analisi delle singole goccioline, dispositivi centrati attorno al confinamento del fluido attraverso canali con pareti rigide. Questa categoria di dispositivi può essere utilizzata per rilevare virus, classificare le cellule e analizzare il DNA, oltre ad essere utilizzata in applicazioni energetiche per la creazione di celle a combustibile, conversione di CO2 e altro. I dispositivi MF possono anche essere utilizzati nelle scienze dei materiali per sintetizzare la schiuma polimerica, ordinare le nanoparticelle e altro.
“Quando si osserva il comportamento dei liquidi in tali canali in scala sub-millimetrica, si è in grado di notare caratteristiche diverse quando si confronta con il comportamento macroscale”, spiega Mahlberg. “Ciò è dovuto alla differenza significativa nei rapporti liquido superficie-volume presenti nei dispositivi MF”.
Il pompaggio passivo delle goccioline si verifica quando è presente una pressione differenziale, definita dalla pressione di Laplace e determinata dall’equazione di Young-Laplace.
“La microfluidica di superficie presenta numerosi vantaggi rispetto ai dispositivi MF chiusi, tra cui un semplice lavaggio grazie alla sua struttura aperta, accessibilità ambientale, percorso ottico chiaro, riduzione della perdita di campione, portata elevata e riproducibile, compatibilità con esperimenti biologici (a seconda del materiale di superficie) e costruzione monolitica “, ha affermato Mahlberg. “Utilizzando tecniche di micromachining, come la micromachining laser, i SET possono essere lavorati su superfici superidrofobiche in qualsiasi design desiderato.”
Con la procedura di spin-coating, è possibile fabbricare substrati riproducibili, offrendo una caratteristica di trasparenza migliorata. È stata sviluppata una piattaforma stampata in 3D ‘flessibile e adattabile’ per la distribuzione di liquidi, destinata ad essere utilizzata con future applicazioni LoC, insieme a migliorare l’interazione dell’utente.
Dopo che è stato condotto uno studio sistematico sulle diverse concentrazioni di NaBH4, una concentrazione di 300 mM ha mostrato di provocare sia la sintesi AgNP che AgNC in correlazione con diversi tempi di pompaggio totali. Questi risultati servono come prova del concetto secondo cui la capacità di controllare la portata apre la possibilità di eseguire varie applicazioni LoC che impiegano reazioni che si basano su tempi di reazione diversi.
“Questo protocollo di dimostrazione sviluppato potrebbe quindi essere potenziato per approcci di sintesi multiplata, poiché altri concetti di reazione multiplata sono stati presentati per potenziali applicazioni future”, ha concluso Mahlberg. “In particolare, questa piattaforma microfluidica flessibile multiplata potrebbe essere utilizzata per lo sviluppo di un dispositivo PoC portatile ed economico in grado di eseguire test bioimmuno multiplo simultanei per il rilevamento di agenti patogeni in sostanze come il sangue basato su sandwich-ELISA.
“La creazione di un tale dispositivo PoC ha un valore significativo per il campo della medicina e della società in generale, poiché i pazienti potrebbero usarlo per testare il sangue indipendentemente da casa in qualsiasi momento, senza la necessità di visitare e consultare un medico. Un simile dispositivo PoC aiuterebbe i pazienti a risparmiare tempo, energia e denaro, il che potrebbe essere di grande beneficio per il loro trattamento e contribuire a migliorare la loro vita. “
Illustrazione grafica di un confronto tra un processo di trattamento medicinale comune per un paziente malato (1) e un processo di trattamento che utilizza un dispositivo microfluidico (2), che mostra i possibili vantaggi della riduzione del tempo, dell’energia e del consumo di denaro dei dispositivi MF. Confronto tra diverse strutture superficiali e comportamenti bagnanti delle goccioline; a: CA di una goccia d’acqua seduta su una superficie piana (LV = LG, SV = SG); b: Illustrazione dello stato di Wenzel con una gocciolina che bagna l’intera superficie su cui si trova; c: Illustrazione della Cassie / Baxter in cui sono racchiuse sacche d’aria tra la gocciolina e la superficie su cui è seduta. 
