La microfluidica è la scienza e la tecnologia che si occupano del controllo di piccole quantità di fluido all'interno di minuscoli canali. Questi fluidi possono essere liquidi o gas e i canali spesso hanno una larghezza inferiore a un millimetro.

A questa scala, i fluidi si comportano in modo diverso. Tensione superficiale, viscosità e geometria dei canali iniziano a contare più della gravità o della turbolenza. Ciò fornisce agli ingegneri e agli scienziati un vantaggio utile: piccoli volumi possono essere spostati, miscelati, riscaldati, separati o analizzati con un elevato grado di controllo.

Ecco perché la microfluidica è utilizzata in molti dispositivi compatti per Life Science. Consente a un dispositivo di gestire campioni e reagenti in modo controllato, spesso con meno spazio, meno fluidi e passaggi di processo più brevi rispetto agli approcci convenzionali di laboratorio.

La microfluidica funziona guidando i fluidi attraverso microcanali, camere e punti di controllo progettati con precisione. Invece di spostare un campione grande attraverso tubi, un dispositivo microfluidico può muovere piccole quantità di campione e reagente attraverso un percorso interno compatto.

Un semplice processo microfluidico di solito include:

• Un ingresso, dove il campione o il reagente entra nel dispositivo
• Microcanali, che guidano il fluido attraverso il percorso
• Elementi di controllo, come pressione, azione capillare, pompe o valvole
• Zone di lavorazione, dove avvengono miscelazione, riscaldamento, separazione o reazioni
• Un'area di rilevamento o output, dove il risultato può essere misurato, letto o trasferito

La configurazione esatta dipende dal compito. Un dispositivo diagnostico, un sistema di dosaggio e un modello di organ-on-a-chip possono tutti utilizzare principi microfluidici, ma non necessitano della stessa architettura.

Pensa a un chip microfluidico come un piccolo percorso strutturato per i fluidi. Un campione entra nel chip, si muove attraverso canali stretti, raggiunge una o più aree funzionali e produce quindi un risultato misurabile. In un sistema lab-on-a-chip questo percorso può sostituire diversi passaggi manuali di laboratorio. Un unico dispositivo può aiutare a preparare un campione, miscelare i reagenti e controllare le condizioni di reazione.

Il risultato è un processo più compatto. I passaggi che una volta richiedevano più spazio, più interventi manuali e più componenti separati stanno diventando più brevi e più facili da controllare.

A livello microscopico, il flusso di un fluido è solitamente controllato con precisione e prevedibile. In molti sistemi microfluidici il flusso è laminare, il che significa che gli strati di fluido scorrono l'uno accanto all'altro con una miscelazione minima causata dalla turbolenza. Questo modifica il modo in cui gli ingegneri progettano un dispositivo: la miscelazione, il dosaggio e la tempistica delle reazioni dipendono spesso dalla forma del canale, dalla lunghezza del percorso, dal controllo della pressione e dalle proprietà della superficie del materiale.

Tre principi sono particolarmente importanti:

• Gli effetti superficiali diventano più forti, perché i fluidi sono a contatto con una maggiore area superficiale in relazione al loro volume
• Il flusso può essere più prevedibile, il che aiuta con il dosaggio ripetibile e l'analisi dei campioni
• I piccoli volumi reagiscono rapidamente, perché le distanze di trasferimento di calore e massa sono ridotte

Ciò può essere particolarmente prezioso per i processi biologici e chimici. Possono essere necessari volumi minori di campioni o reagenti e le fasi sensibili possono essere effettuate in un ambiente controllato.

La microfluidica viene utilizzata ovunque sia necessario controllare, analizzare o lavorare piccoli volumi di fluidi. Nel settore delle Life Science è spesso indispensabile in applicazioni in cui spazio, volume del campione e ripetibilità sono fondamentali.

Le aree applicative tipiche includono:

• Diagnostica e IVD, inclusi test di point-of-care e analizzatori compatti
• Sistemi lab-on-a-chip, in cui le funzioni di laboratorio sono integrate in un dispositivo compatto
• Microfluidica in biologia, come la gestione e la selezione delle cellule o l'analisi delle cellule singole
• Modelli organ-on-a-chip, in cui sottili canali microfluidici forniscono nutrienti alle cellule
• Screening farmacologico, in cui i test e le analisi si basano su piccoli volumi di fluidi
• Processi automatizzati di terapia cellulare, in cui il trasporto preciso dei liquidi contribuisce a un processo ben controllato
• Strumenti analitici, in cui campioni, reagenti e gas devono muoversi attraverso percorsi definiti

Se lavori su dispositivi compatti per Life Science, le seguenti risorse possono fornire ulteriori approfondimenti sull'argomento. I nostri team di ricerca stanno esplorando concetti microfluidici per l'automazione di laboratorio e la tecnologia medica, e come possono essere utilizzati in aree quali la terapia cellulare CAR-T automatizzata e i sistemi organ-on-a-chip.

La microfluidica non riguarda solo la riduzione dei percorsi dei fluidi. Si tratta di fornire agli ingegneri e agli scienziati un'architettura efficace per controllare con precisione piccoli volumi di fluidi, affinché i dispositivi compatti possano gestire campioni, reagenti e reazioni con la massima efficienza.

I punti più importanti sono:

• La microfluidica controlla piccoli volumi di liquidi o gas all'interno di canali e camere di dimensioni ridotte
• Il comportamento dei fluidi cambia su scala microscopica, perciò gli effetti della superficie, il flusso laminare e la geometria dei canali sono particolarmente importanti
• I dispositivi microfluidici possono combinare diverse fasi di laboratorio in un formato compatto, come dosaggio, miscelazione, controllo e rilevamento delle reazioni
• Le applicazioni Life Science traggono spesso vantaggio da un controllo preciso dei fluidi, specialmente quando sono determinanti il volume del campione, la ripetibilità e le dimensioni del dispositivo

Una volta chiariti i concetti di base, il passo successivo più utile è chiedersi in che modo il controllo dei fluidi possa migliorare l’affidabilità, la ripetibilità o il potenziamento del dispositivo.