Multiscale modeling of complex flows in microfluidic systems

In recent years, microfluidics has emerged as a key enabling technology in the space sector, with applications spanning astrobiology, pharmaceutical development, and space medicine. By enabling highly accurate analyses of astronauts’ physiological parameters and critical environmental conditions, including water, air, and food quality, microfluidic systems play a pivotal role in supporting long-duration space missions. Nevertheless, conventional experimental approaches employed for the design and optimization of microdevices fail to fully exploit the potential of this technology, leading to increased development costs and extended development timelines. Within this context, computational microfluidics emerges as a fundamental tool for the modeling and quantitative analysis of the inherent complexity and multiphysics nature of fluid behavior in microchannels. It is essential for investigating interactions between the continuous phase, i.e. fluid, and dispersed phases, including cells and particles. The adoption of advanced numerical models enables a systematic investigation of the influence of the system’s physical and geometrical parameters, thereby overcoming the main limitations of conventional experimental approaches, such as limited access to local quantities of interest and insufficient control and reproducibility of operating conditions. This thesis focuses on the development and validation of computational methodologies based on the Lattice Boltzmann method for the investigation of multicomponent fluid systems, nanoparticle dynamics, and viscoelastic fluid in microchannels. The proposed approach is designed to systematically capture the complex rheological behavior of multicomponent systems, which underpin a broad class of microfluidic devices, including droplet-based devices such as core–shell and Janus droplet generators. These systems can be employed for 3D cell cultures, single-cell analysis, and spheroid encapsulation for in vitro modeling of organs and diseases, as well as for drug delivery applications. A key aspect of the proposed framework is the explicit treatment of surface wettability effects, which play a critical role in governing the dynamics of multiphase microfluidic systems. In particular, wettability is shown to directly influence droplet morphology, size, and production frequency. The developed framework allows for the simulation of both binary and ternary immiscible fluid systems over a wide range of density and/or viscosity ratios, and supports interactions with surfaces of arbitrary geometry under both wetting and non-wetting boundary conditions. Microfluidic devices manipulate multiphysics fluids, such as biological fluids, which consist of a wide variety of cells, vesicles, and molecules with different sizes, densities, and shapes, interacting with one another, with the fluid matrix, and with the microchannel walls. In this context, the solver has been extended to model the transport of nanoparticles suspended in Newtonian fluids through a multiscale approach, in which nanoparticles are represented as subgrid-scale point particles. This formulation enables an accurate description of the system dynamics, including interactions among the different components and with solid boundaries. Furthermore, many microfluidic devices exploit passive focusing techniques to separate and align cells and/or particles based on size, morphology, or density. However, as particle dimensions decrease, such as in the case of nanoparticles, isolation becomes increasingly challenging due to low inertia. Unlike Newtonian fluids, the use of viscoelastic fluids enables the separation of submicron particles without resorting to complex geometries, external forces, or high flow rates that could potentially damage embedded cells and vesicles. Accordingly, the developed framework allows for the simulation of viscoelastic fluid dynamics, supporting both viscoelastic and elasto-inertial focusing strategies. Currently, commercially available software does not accurately capture the full spectrum of physical phenomena involved in microfluidic devices, either in terms of modeling flexibility or predictive capability. Accordingly, the present work aims to address these limitations by providing a quantitative, predictive, and generalizable approach for the investigation of complex and heterogeneous microfluidic systems, thereby partially bridging the existing gap.

Negli ultimi anni, la microfluidica ha suscitato crescente interesse nel settore spaziale, in ambiti come l'astrobiologia, lo sviluppo di farmaci e la medicina spaziale, consentendo analisi precise dei parametri fisiologici degli astronauti e delle condizioni ambientali, quali qualità di acqua, aria e cibo, essenziali per missioni di lunga durata. Tuttavia, i tradizionali approcci sperimentali adottati per la progettazione e l’ottimizzazione dei microdispositivi non consentono di usufruire appieno dei vantaggi di tale disciplina, con conseguente incremento dei costi e dei tempi di sviluppo. In questo contesto, la microfluidica computazionale si configura come uno strumento fondamentale per la modellazione e l’analisi quantitativa della complessità e della natura multifisica dei fluidi nei microcanali, essenziale per studiare le interazioni tra la fase continua, quale il fluido, e le fasi disperse, quali cellule e particelle. L’impiego di modelli numerici avanzati consente di investigare in modo sistematico l’influenza dei parametri fisici e geometrici del sistema, superando le principali limitazioni del classico approccio sperimentale, come l'accesso alle grandezze locali di interesse e il controllo e la riproducibilità delle condizioni operative. La presente tesi si concentra sullo sviluppo e sulla validazione di metodologie computazionali basate sul metodo Lattice Boltzmann per lo studio di sistemi fluidi multicomponente, della dinamica di nanoparticelle e di fluidi viscoelastici in microcanali. L’approccio proposto è concepito per descrivere in modo sistematico il complesso comportamento reologico dei sistemi multicomponente, che costituiscono la base di un’ampia classe di dispositivi microfluidici, inclusi quelli a goccia quali i generatori di gocce core-shell e Janus. Questi possono essere impiegati per colture cellulari 3D, analisi a singola cellula e incapsulamento di sferoidi per la modellazione in vitro di organi, malattie e somministrazione di farmaci. Un elemento chiave del framework proposto è il trattamento esplicito degli effetti di bagnabilità delle superfici, che svolgono un ruolo cruciale nel governare la dinamica dei sistemi microfluidici multifase. In particolare, la bagnabilità influenza direttamente la morfologia, le dimensioni e la frequenza di produzione delle gocce. Il framework sviluppato consente la simulazione di sistemi fluidi immiscibili sia binari sia ternari su un ampio intervallo di rapporti di densità e/o viscosità, e supporta l’interazione con superfici di geometria arbitraria, gestendo condizioni al contorno sia di bagnabilità sia di non bagnabilità. I dispositivi microfluidici manipolano fluidi di natura multifisica, come i fluidi biologici, costituiti da un’ampia varietà di cellule, vescicole e molecole di diversa dimensione, densità e forma, che interagiscono tra loro, con la matrice fluida e con il microcanale. In questo contesto, il solutore è stato esteso per modellare il trasporto di nanoparticelle immerse in fluidi Newtoniani mediante un approccio multiscala, in cui le nanoparticelle sono trattate come punti sottogriglia. Tale formulazione consente di descrivere accuratamente la dinamica del sistema, includendo le interazioni tra le diverse componenti e con le superfici solide. Inoltre, molti dispositivi microfluidici sfruttano tecniche di focalizzazione passive, che separano ed allineano le cellule e/o particelle in base a dimensione, morfologia o densità. Tuttavia, al diminuire delle dimensioni di queste, come nel caso di nanoparticelle, l’isolamento diventa difficoltoso a causa della scarsa inerzia. A differenza dei fluidi Newtoniani, l'uso di fluidi viscoelastici consente di separare particelle submicrometriche senza ricorrere a geometrie complesse, a forze esterne o a portate elevate, che potrebbero danneggiare cellule e vescicole ivi immerse. Il framework sviluppato permette pertanto di simulare la dinamica dei fluidi viscoelastici, applicabile a strategie di focalizzazione sia viscoelastica sia elasto-inerziale. Allo stato attuale, i software commerciali disponibili non catturano accuratamente l’ampio spettro dei fenomeni fisici coinvolti nei microdispositivi, sia in termini di flessibilità modellistica sia di capacità predittiva. Pertanto, il presente lavoro contribuisce al superamento di tali limiti, colmando parzialmente la lacuna esistente, mediante un approccio quantitativo, predittivo e generalizzabile per lo studio di sistemi microfluidici complessi ed eterogenei.