Materials and methods for modular microfluidic devices

Questo lavoro di tesi tratta dello studio di materiali e metodi che possono essere applicati alla realizzazione di dispositivi microfluidici (DMF). In particolare l’attenzione è rivolta ai dispositivi modulari, piuttosto che a quelli altamente integrati. Le ragioni dietro questa scelta sono spiegate in dettaglio nella Sezione 1.2 di questa tesi, ma possono essere qui sintetizzate nel fatto che anche se i DMF integrati offrono grandi vantaggi in termini di dimensioni finali, i dispositivi modulari sono più versatili, e quindi particolarmente utili per applicazioni nel campo della ricerca. La prima parte del lavoro qui riportato descrive le tecniche di microfabbricazione utilizzate per la realizzazione di moduli microfluidici monofunzionali. I dispositivi sono stati realizzati per replica molding in PDMS a partire da master in SU-8. I master sono stati a loro volta fabbricati tramite litografia UV con maschera oppure per scrittura laser diretta ad uno o due fotoni, a seconda dei requisiti di risoluzione. Il replica molding è un metodo molto rapido ed efficiente per realizzare DMF, ma presenta alcuni limiti per quanto riguarda la forma delle strutture che è possibile replicare con successo. Alla luce di questo, un sol-gel fotopolimerizzabile ibrido organico/inorganico viene qui proposto e testato come materiale alternativo per la fabbricazione di DMF. I risultati della caratterizzazione rivelano che questo materiale è biocompatibile e presenta proprietà meccaniche migliori di quelle del PDMS, ma strutture con più di una dimensione eccedente i pochi micrometri tendono a sviluppare cricche, cosa che impedisce l’utilizzo di questo sol-gel come materiale massivo. Ciononostante, questo sol-gel potrebbe venir efficacemente impiegato per la realizzazione di sottostrutturazioni all’interno di canali microfluidici. Dopo questo studio sui materiali, un modulo microfluidico per il mescolamento è proposto e testato. Dato che le condizioni di flusso laminare sono dominanti all’interno dei microcanali, per ottenere un mescolamento efficiente in un DMF è necessario includere nel dispositivo un miscelatore specificatamente progettato. Il modulo proposto utilizza delle ostruzioni all’interno del microcanale per perturbare il flusso laminare e quindi favorire il mescolamento. Con l’aiuto di alcune simulazioni numeriche, le geometrie più efficienti sono state individuate, e due layout particolarmente promettenti sono stati realizzati e caratterizzati sperimentalmente misurando la diluizione di un fluoroforo (mescolamento tra una soluzione del fluoroforo e puro solvente) attraverso la microscopia confocale di fluorescenza. A seguire, viene riportata la fabbricazione e caratterizzazione di un modulo optofluidico per la deflessione della luce. Questo dispositivo utilizza un flusso segmentato acqua/aria generato da una giunzione a T per trasmettere o riflettere (per riflessione totale interna) alternativamente un fascio laser. Questa alternanza è periodica, e la sua frequenza può essere controllata variando la portata dei flussi iniettati di aria e acqua. Inoltre, il duty cycle del modulo è stato caratterizzato, e viene proposto e verificato un metodo per modularlo attraverso un aumento della temperatura dell’acqua. Infine, vengono descritti alcuni tentativi di generare un PDMS nanoporoso con basso indice di rifrazione. La messa a punto di una procedura efficiente per la fabbricazione di questo genere di materiale porterebbe alla possibilità di usare i classici canali microfluidici come guide d’onda. Al momento questi tentativi hanno avuto solo parziale successo, ma i maggiori punti di criticità sono stati identificati, e vengono proposte alcune strategie per il loro futuro superamento.