Microfluidica su carta

Per microfluidica su carta (paper-based microfluidics) si intende lo sviluppo di dispositivi a microfluidi su carta cominciato agli inizi del Terzo millennio per venire incontro alla necessità di sistemi di diagnosi clinica portatili, economici e semplici da utilizzare. Tali dispositivi in genere consistono in una serie di fibre di cellulosa idrofile o di nitrocellulosa che guidano il liquido da un'entrata ad un'apposita uscita tramite imbibizione.

Struttura del dispositivo

Generalmente un dispositivo su carta di questo tipo è costituito dalle seguenti regioni:^[1]

Entrata (inlet): un substrato (tipicamente cellulosa) dove i liquidi vengono depositati.
Canali (channels): reti idrofile di dimensioni sub-millimetriche che guidano il liquido attraverso il dispositivo.
Barriere (barriers): regioni idrofobiche che impediscono al liquido di fuoriuscire dal canale.
Uscite (outlets): punti dove una reazione (bio)chimica ha luogo.

Flusso attraverso il dispositivo

La carta è un mezzo poroso in cui il fluido viene trasportato principalmente tramite traspirazione (wicking) ed evaporazione.^[2] Il flusso capillare durante l'umidificazione si può approssimare tramite l'equazione di Washburn,^[3] derivata dalla legge di Jurin e dall'equazione di Hagen-Poiseuille.^[4] La velocità media del fluido viene generalizzata come segue: $v={\frac {\gamma \cos \theta }{4\eta }}{\frac {1}{L}}$ dove $\gamma$ è la tensione superficiale, $\theta$ l'angolo di contatto, $\eta$ la viscosità e $L$ è la distanza percorsa dal liquido. Modelli più approfonditi tengono conto del raggio dei pori, della tortuosità della carta^[5] e della sua deformazione nel tempo.^[6]

Una volta che il mezzo è completamente bagnato, il flusso diventa laminare e segue la legge di Darcy.^[7] La velocità media del flusso di liquido è generalizzata come: $v=-{\frac {K}{\eta }}\triangledown P$ dove $K$ è la permeabilità del mezzo e $\triangledown P$ è il gradiente di pressione.^[8] Una conseguenza del flusso laminare è che il mescolamento è difficile ed è basato solamente sulla diffusione, che è più lenta nei sistemi porosi.^[9]

Tecniche di manifattura

I dispositivi a microfluido si possono preparare usando varie tecniche.^[10] Ogni tecnicha punta a creare barriere fisiche ed idrofobiche su una carta idrofila che trasporta passivamente soluzioni acquose.^[11] I reagenti chimici e biologici devono essere depositati selettivamente lungo il dispositivo immergendo il substrato in una soluzione del reagente o depositando un reagente sopra il substrato.^[12]

Wax printing

La stampa a cera o "wax printing" usa una semplice stampante per modellare la cera sulla carta a piacimento. La cera viene poi sciolta sopra una piastra riscaldante al fine di creare i canali.^[13] Questa tecnica è veloce e a basso costo, ma ha una risoluzione relativamente bassa a causa della non isotropia della cera sciolta.

Inkjet printing

La stampa a getto di inchiostro o "inkjet printing" richiede una carta rivestita da un polimero idrofobico. Si piazza poi un inchiostro che incide il polimero rivelando la carta sottostante.^[14] Questo metodo è economico e ad alta risoluzione, ma è limitato dalla velocità di deposizione delle gocce di inchiostro (in genere una goccia per volta).

Fotolitografia

Le tecniche fotolitografiche sono simili alla stampa a getto di inchiostro e usano una fotomaschera (photomask) per incidere selettivamente un polimero di fotoresist.^[15] Questa tecnica garantisce alta risoluzione e velocità, tuttavia l'apparecchiatura richiesta così come i materiali non la rendono molto economica.

Applicazioni

Panoramica

Il vantaggio principale di dispisitivi a microfluido su carta rispetto a quelli tradizionali è il loro uso direttamente sul campo piuttosto che in laboratorio.^[16]^[17] La carta da flltro è molto vantaggiosa a questo proposito perché è capace di rimuovere i contaminanti dal campione e prevenire che si diffondano nel microcanale. Questo significa che le particelle non inibiscono l'accuratezza delle analisi su carta quando questi dispositivi sono usati all'aperto.^[17] Questi dispositivi sono inoltre molto piccoli (dell'ordine dei centimetri)^[17]^[18]^[19] rispetto ad altre piattaforme come quelli a goccia di liquido.^[20]^[21] Per via della loro piccola taglia e lunga durabilità, i dispositivi qui descritti sono portatili e convenienti.^[16]^[17]

Note

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[:0-1] (EN) Jean Berthier, Kenneth A. Brakke e Erwin Berthier, Open Microfluidics, John Wiley & Sons, Inc., 2016, pp. 229–256, DOI:10.1002/9781118720936.ch7/summary, ISBN 978-1-118-72093-6.

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[8] (FR) Henry Darcy, Les fontaines publiques de la ville de Dijon. Exposition et application des principes à suivre et des formules à employer dans les questions de distribution d'eau: ouvrage terminé par un'appendice relatif aux fournitures d'eau de plusieurs villes au filtrage des eaux et à la fabrication des tuyaux de fonte, de plomb, de tole et de bitume, Dalmont, 1856.

[9] (EN) Diffusion in Natural Porous Media - Contaminant Transport, | Peter Grathwohl | Springer.

[:2-10] (EN) Paper microfluidic devices : A review 2017 - Elveflow, in Elveflow. URL consultato il 6 febbraio 2018 (archiviato dall'url originale il 18 gennaio 2018).

[:3-11] (EN) Francisco José Galindo-Rosales, Complex Fluid-Flows in Microfluidics, Springer, 26 maggio 2017, ISBN 978-3-319-59593-1.

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[19] Jinghua Yu, Lei Ge, Jiadong Huang, Shoumei Wang e Shenguang Ge, Microfluidic paper-based chemiluminescence biosensor for simultaneous determination of glucose and uric acid, in Lab on a Chip, vol. 11, n. 7, 7 aprile 2011, pp. 1286–1291, DOI:10.1039/c0lc00524j, ISSN 1473-0189 (WC · ACNP), PMID 21243159.

[20] Jenifer Clausell-Tormos, Diana Lieber, Jean-Christophe Baret, Abdeslam El-Harrak, Oliver J. Miller, Lucas Frenz, Joshua Blouwolff, Katherine J. Humphry e Sarah Köster, Droplet-based microfluidic platforms for the encapsulation and screening of Mammalian cells and multicellular organisms, in Chemistry & Biology, vol. 15, n. 5, maggio 2008, pp. 427–437, DOI:10.1016/j.chembiol.2008.04.004, ISSN 1074-5521 (WC · ACNP), PMID 18482695.

[21] Jean-Christophe Baret, Oliver J. Miller, Valerie Taly, Michaël Ryckelynck, Abdeslam El-Harrak, Lucas Frenz, Christian Rick, Michael L. Samuels e J. Brian Hutchison, Fluorescence-activated droplet sorting (FADS): efficient microfluidic cell sorting based on enzymatic activity, in Lab on a Chip, vol. 9, n. 13, 7 luglio 2009, pp. 1850–1858, DOI:10.1039/b902504a, ISSN 1473-0197 (WC · ACNP), PMID 19532959.

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