Guida alla microfluidica, millifluidica e alla produzione lab-on-a-chip

La microfluidica è una delle tecnologie più affascinanti nel campo della scienza e dell’ingegneria. Sta avendo un ruolo fondamentale in alcuni degli sviluppi più all’avanguardia nei settori della biodifesa, ingegneria chimica e test medici.

In questa guida presenteremo una panoramica sulla microfluidica, spiegheremo come sta aiutando gli scienziati con le loro scoperte e mostreremo come iniziare a creare chip microfluidici. 

La microfluidica è la scienza del controllo e della manipolazione ad alta precisione di fluidi che vengono geometricamente costretti in reti di canali di piccole dimensioni, normalmente di spessore inferiore ai 100 µm di diametro. 

Diversi scienziati o ingegneri utilizzano il termine microfluidica in maniera diversa. Secondo molti professori la microfluidica è un campo della scienza che si concentra sullo studio e sulla manipolazione di piccolissime quantità di fluidi in canali di uno spessore compreso tra 100 micrometri (µm) e 1 µm di diametro.

Gli ingegneri, invece, potrebbero usare il termine microfluidica per descrivere la produzione di parti (normalmente chiamate "chip") che guidano il movimento di fluidi attraverso canali con un diametro con dimensioni comprese tra 100 µm e 1 µm.

Nella sua forma più basilare, la microfluidica è un processo nel quale vengono usate minuscole quantità di fluidi, in generale dello spessore di decine di micrometri. Come riferimento, un micrometro è un milionesimo di metro. Una ciocca di capelli umani ha un diametro di circa 100 µm.

I vantaggi di lavorare su una scala così ridotta sono numerosi. Rispetto ai metodi di test tradizionale, che utilizzano piastre di Petri e contagocce, nella microfluidica vengono impiegati campioni di dimensioni considerevolmente più ridotte, che richiedono quindi quantità inferiori di costose sostanze chimiche e reagenti. In molti casi, testare con la microfluidica è più sicuro, perché consente di controllare e contenere meglio le sostanze tossiche.

Con la microfluidica, gli scienziati hanno un maggiore controllo su come si mescolano i liquidi e come interagiscono tra di loro. Riescono a diffonderli lentamente, possono farli scorrere uno di fianco all’altro o separarli in goccioline microscopiche. Gli scienziati e gli ingegneri possono inoltre impiegare cariche elettriche, pompe a siringa e anche l’acustica per spingere i liquidi all’interno dei microcanali.

Questi vantaggi a livello di costi e di controllo rendono la microfluidica un settore sempre più interessante per i pionieri della farmacologia e della biotecnologia. Gli innovatori nel campo della microfluidica stanno sviluppando metodi sempre più veloci ed economici di analizzare i pazienti in caso di virus, individuare sostanze chimiche dannose nel suolo e forse, un giorno, renderanno obsoleti i test sugli animali.

Nella millifluidica vengono manipolati e osservati liquidi in canali dello spessore di 1 millimetro (mm). Pur usando maggiori quantità di liquidi rispetto alla microfluidica, si tratta sempre di quantità minime rispetto ai test condotti con i metodi tradizionali.

Spesso, e a seconda delle specificità dei progetti, con i canali per la millifluidica si riescono a mescolare fluidi allo stesso livello della microfluidica. I vantaggi della millifluidica sono molto simili a quelli della microfluidica, ma i chip per la millifluidica sono normalmente più economici e facili da produrre.

Le applicazioni della microfluidica e della millifluidica nel mondo possono andare dalle versioni più basilari dei normali test medici a innovativi progetti di ricerca. Dagli esempi sotto si evince come le molteplici possibilità di applicazione della microfluidica e della millifluidica stiano plasmando il futuro, aprendo prospettive veramente affascinanti.

Da anni ormai la medicina rigenerativa ha concentrato la ricerca sulle cellule staminali: ciò è dovuto principalmente alla loro abilità di dividersi e differenziarsi in altri tipi di cellule. Ad esempio, quando i medici iniettano cellule staminali nel tessuto muscolare, queste possono differenziarsi e trasformarsi in cellule muscolari, aiutando così i tessuti danneggiati a ripararsi e a rigenerarsi.

La coltivazione e lo sviluppo di cellule staminali embrionali in vitro (fuori dal corpo) è una delle più grandi sfide per i ricercatori. Ciò è dovuto alla mancanza di morfogeni e segnalazione prodotta in vivo (all’interno del corpo). I morfogeni sono come i direttori d’orchestra per lo sviluppo dell’embrione e svolgono un ruolo fondamentale nella stimolazione dello sviluppo delle cellule embrionali.

Gli scienziati dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Losanna (EPFL) hanno recentemente scoperto un modo per aggirare questo problema con i morfogeni. Il Dottor Matthias Lütolf e il suo team sono riusciti a replicare un processo di sviluppo di cellule staminali embrionali, chiamato "gastrulazione", che, negli umani, avviene intorno alla terza settimana di gravidanza, introducendo in vitro un regime di morfogeni altamente controllati usando un dispositivo di coltura di cellule microfluidico.

Si tratta di uno sviluppo significativo nel percorso verso la coltivazione di organi in laboratorio. Come spiegato dal Dottor Lütolf in un’intervista con Genetic Engineering & Biotechnology News: “Uno dei nostri obiettivi a lungo termine è creare organi per il trapianto”.

Le colture di cellule 3D come i dispositivi microfluidici usati dal Dottor Lütolf e il suo team, oltre alla biotecnologia, potrebbero rivoluzionare anche l’ingegneria farmaceutica, fino ad arrivare, un giorno, a rendere i test sugli animali completamente obsoleti.

I test sui medicinali iniziano normalmente da colture in vitro, o test 2D, fuori dal corpo. Se i risultati di questi test sono promettenti, il passo successivo è testare i farmaci su modelli animali. La spiegazione è che i test sugli animali, tradizionalmente, sono stati il metodo più facile con cui gli scienziati potevano replicare ciò che succede all’interno del corpo umano prima di passare ai test clinici sugli umani.

Le colture di cellule staminali 3D rappresentano una nuova e promettente frontiera per i test e l’ingegneria farmaceutica. Queste colture permettono alle cellule di svilupparsi in maniera del tutto simile a come farebbero nel corpo umano, ma in un dispositivo di facile osservazione al di fuori del corpo. I test possono essere così controllati in maniera accurata e sono in grado di offrire risultati potenzialmente più precisi dei test sugli animali.

I ricercatori del Wyss Institute hanno sviluppato “organi su chip” umani che permettono agli scienziati di studiare l’impatto di batteri, virus e terapie su tessuti in vitro usando dispositivi delle dimensioni approssimate di una chiavetta USB.

Saranno necessarie ulteriori ricerche e sviluppi prima che i test sugli animali vengano eliminati del tutto, ma le colture di cellule in 3D potrebbero veramente essere il futuro dell’ingegneria farmaceutica e biologica.

In un futuro non così distante, la microfluidica potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui vengono effettuati i test sui pazienti. I test diagnostici potrebbero richiedere campioni di sangue o tessuti più piccoli, favorendo una migliore esperienza per i pazienti. Anche i test genetici potrebbero diventare più accessibili.

Soprattutto nel caso di pazienti che si trovano in aree geografiche dove i test di laboratorio non sono disponibili, i dispositivi lab-on-a-chip come quelli creati da Paul Yager, professore di bioingegneria della University of Washington, potrebbero diventare un metodo accessibile per diagnosticare malattie come la malaria.

Nel frattempo, il Professor Jason Heikenfeld della University of Cincinnati e il suo team di ricercatori stanno sviluppando dei test per le analisi del sudore completamente non invasivi che, in alcuni casi, potrebbero eliminare la necessità dei prelievi di sangue. E, per di più, il prototipo di Heikenfeld potrebbe essere alimentato semplicemente da uno smartphone.

Rilevare la presenza di armi biologiche e chimiche è una questione di vita o di morte per i soldati in prima linea. È per questo che l’agenzia per i progetti di ricerca avanzata per la difesa (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) da molti anni sta stanziando fondi per la ricerca sui microfluidi.

Grazie al lavoro di ricerca e sviluppo condotto da Frantisek Svec e Jean Fréchet presso il Berkley Lab, presto le minacce della guerra chimica potrebbero essere più facili da rilevare. Attualmente Svec e Fréchet stanno lavorando al perfezionamento di chip microfluidici in plastica che permetterebbero di testare sul campo la presenza di quantità anche diluite di sostanze chimiche, microorganismi, tossine e sostanze inquinanti.

Presto i soldati potrebbero essere in grado di eseguire test che prima richiedevano complesse attrezzature usando semplici campioni di terra o aria. Citando Svec: “Porteremo il laboratorio al campione e non il campione al laboratorio”.

Come anche in altri campi, le applicazioni della microfluidica sono guidate dal desiderio degli umani che manipolano la tecnologia. Anche se la maggior parte delle ricerche che utilizzano i principi della microfluidica aspirano al miglioramento della qualità della vita per tutta la società, dobbiamo anche tenere conto del fatto che queste tecniche potrebbero essere usate per scopi meno nobili.

La microfluidica sta dando un grande aiuto allo sviluppo della biodifesa, ma è comunque possibile che venga usata per sviluppare armi biologiche e chimiche. Secondo le ricerche pubblicate da organizzazioni nazionali per la difesa quali il US Naval Institute, vista la scala ridotta di queste tecnologie che consente di nasconderle più facilmente, esiste la possibilità che alcuni paesi possano sviluppare armi utilizzando la microfluidica senza renderlo noto al resto del mondo.

Per ogni progetto di microfluidica sono necessari chip appositamente progettati, che devono essere fabbricati su richiesta utilizzando tecnologie avanzate in grado di produrre queste parti così complesse in maniera accurata. I continui progressi del campo della microfluidica stanno influenzando e cambiando anche i metodi di fabbricazione degli stessi chip microfluidici. 

I chip microfluidici sono normalmente fatti di vetro, silicone o plastica (anche se, a volte, possono essere creati anche con altri materiali, come ad esempio la carta). Qui sotto elencheremo cinque dei più comuni metodi di fabbricazione di chip microfluidici e millifluidici. È importante anche considerare che molti ingegneri e aziende di produzione utilizzano una combinazione di questi metodi di progettazione e produzione.

Molti ingegneri, scienziati e designer producono i chip in-house utilizzando macchine per la stampa o la fabbricazione direttamente nel loro laboratorio per essere più liberi in fase di prototipazione e garantire tempi di consegna più rapidi.

La fotolitografia è stato uno dei primi metodi di produzione usati per la microfluidica ed è utilizzato ancora oggi, spesso insieme all’incisione a umido o a secco. La fotolitografia sfrutta la potenza della luce UV per incidere un modello o una forma su un componente.

Questo video illustra i processi della fotolitografia e mostra alcuni esempi di applicazione nella microfluidica e nei sistemi micro-elettromeccanici (MEMS).

La micro-termoformatura è compatibile con la plastica e ha un funzionamento simile a quello della termoformatura normale, ma su scala molto più ridotta. Utilizza sottili fogli di plastica che vengono riscaldati e poi formati su stampi maschio o femmina per creare pellicole microfluidiche.

Il micro-stampaggio a iniezione, conosciuto anche come micro-stampaggio, è una versione miniaturizzata dello stampaggio a iniezione. Questo processo di fabbricazione è adatto a quei laboratori che devono utilizzare lo stesso design per molti chip o hanno grandi ordini di un unico design. 

La microfresatura, o incisione, è uno dei metodi più usati per la creazione di chip microfluidici: si inizia da una lastra liscia (normalmente chiamata wafer) per poi incidere o scavare canali e solchi. Molte macchine a controllo numerico (CNC) da banco sono in grado di incidere su chip micro e millifluidici. 

La stampa 3D è essenzialmente l’opposto delle tecniche sottrattive come la lavorazione meccanica CNC o l’incisione. Mentre queste richiedono l’incisione di canali su un wafer preesistente, le stampanti 3D costruiscono chip partendo da materie prime.

La produzione additiva (stampa 3D) offre diversi vantaggi rispetto ai tradizionali metodi di produzione di chip, tra cui forti risparmi di spesa e tempo grazie alla stampa in-house e alla possibilità di testare design tridimensionali complessi in maniera rapida. 

Il primo vantaggio, e probabilmente il più significativo, è il risparmio sui costi associato alla stampa 3D in-house. Ordinare un chip millifluidico personalizzato comporta normalmente costi esorbitanti e possono essere necessari fino a due mesi prima di poter ottenere un prototipo. Gli apparecchi SLA, invece, sono in grado di stampare qualunque geometria direttamente nel proprio laboratorio e in poche ore.

Di seguito vengono presentati costi e tempi di lavorazione necessari per realizzare un chip 3D di grandi dimensioni stampato con la Form 3 e prodotto usando la litografia:

Le stampanti SLA permettono ai team di ricercatori di testare i chip fluidici in maniera rapida e di fare modifiche in base al feedback ricevuto in tempo reale.

I design più complessi sono limitati solo da quello che gli utenti sono capaci di creare in CAD, permettendo per la prima volta di testare rapidamente i chip micro e millifluidici in laboratorio. Nei chip microfluidici stampati in 3D, i canali possono svilupparsi in qualunque percorso tridimensionale. A confronto, i canali incisi su vetro sono limitati al piano bidimensionale e a una forma dalla sezione trasversale rettangolare. Ciò può aiutare specialmente gli studenti a capire come diversi canali possono far mescolare i fluidi. 

I canali 3D sottolineano una funzionalità unica e molto potente della stampa 3D in-house dei modelli millifluidici. I dettagli marcati in 3D interrompono il flusso laminare e lo dirigono verso canali più sottili che permettono al designer di controllare quando e come si mescolano i fluidi. 

Il team di ingegneria di Formlabs voleva testare queste funzionalità 3D e quindi ha progettato, stampato e testato una particolare geometria millifluidica in 3D contenente un canale tortuoso. I miscelatori sono stati testati usando dei normali coloranti alimentari dissolti in acqua del rubinetto. Una siringa è stata riempita con liquido giallo, l’altra con liquido blu. Ogni colore è stato iniettato in una porta di miscelatura stampata direttamente sul chip. Dopodiché, la miscela è stata proiettata su una superficie bianca, dove si poteva osservare l'uniformità del liquido. 

Formlabs offre diverse opzioni di resine trasparenti: un ulteriore vantaggio dei chip stampati in 3D, in quanto i diversi materiali possono offrire migliori proprietà per il design dei chip o la miscelatura. Mentre la Clear Resin (della gamma delle resine standard) è ottima per la prototipazione, la Surgical Guide Resin e la High Temp Resin sono in grado di fornire anche le proprietà necessarie per le più comuni applicazioni di microfluidica.

La Surgical Guide Resin è più rigida rispetto alla Clear Resin. È eccellente per i dettagli negativi ed è un materiale autoclavabile e biocompatibile. La Surgical Guide Resin può essere utilizzata per stampare con uno spessore dello strato di 50 micron, in modo da ottenere una geometria dei canali estremamente precisa. Ciò aiuta a creare design di chip e canali ancora più piccoli, permettendo la creazione di ottimi chip microfluidici stampati in 3D.

Una cosa è certa: la microfluidica e la millifluidica continueranno a dar vita a nuovi e interessanti sviluppi nel campo della scienza.

La stampa in-house crea nuove opportunità per la microfluidica e la millifluidica. È possibile progettare e stampare in-house design per chip critici usati per applicazioni di ingegneria, analisi mediche avanzate e istruzione, con stampanti 3D SLA economiche e ad alta risoluzione.

Scarica il resoconto completo per capire a fondo i vantaggi e le problematiche di questo processo.