I dispositivi microfluidici usano micro-canali con un elevato rapporto superficie-volume che riduce i tempi di trasferimento di massa e calore, consentendo riscaldamento e raffreddamento rapidi e controllati, assieme ad un controllo accurato della concentrazione e della temperatura. L’uso della microfluidica consente la produzione di particelle, goccioline, bolle, schiume ed emulsioni monodisperse, con un controllo preciso delle dimensioni e della composizione.
Un sistema di microfluidica Dolomite per la produzione di nanoparticelle e microparticelle è composto principalmente da 2 pompe collegate ad un chip con microcanali, due regolatori di flusso e un microscopio ottico per il controllo. Sono disponibili numerosi accessori per il controllo della temperatura, della pressione, etc. Possiamo distinguere tre metodi per la produzione di nano e micro-particelle: (1) la generazione di goccioline una ad una, (2) il micromixing e il (3) microfluidic hydrodynamic focusing.
Single channel droplet production
Applicazioni:
- emulsioni
- microparticelle polimeriche
- hydrogel
- bolle
- etc.
Il chip comprende 2 microcanali incrociati: due fasi liquide immiscibili si incontrano all’intersezione dei 2 canali del chip microfluidico, producendo delle goccioline di dimensioni precise e controllate, in modo riproducibile. Questo metodo consente un controllo continuo e accurato della dimensione delle goccioline (e successivamente delle particelle), giocando sulle velocità di flusso rispettive delle 2 fasi, o cambiando la concentrazione all’interno delle goccioline.
Per la preparazione di microparticelle polimeriche si crea un’emulsione del polimero in solvente o di una miscela di monomeri, per la quale segue poi una reazione di polimerizzazione. Nello stesso modo, la successiva gelificazione o polimerizzazione delle goccioline consente di creare delle perle di hydrogel.
Per la preparazione di bolle, la microfluidica offre la possibilità di controllare la frazione di volume della fase gassosa da zero a uno. La velocità del flusso determina il meccanismo di formazione delle bolle. I dispositivi microfluidici possono produrre bolle uniformi da pochi a decine di micrometri di diametro con una distribuzione dimensionale stretta.
I metodi microfluidici a flusso continuo consentono la produzione di goccioline monodisperse. Possono essere utilizzate diverse tecniche di formazione delle goccioline, corrispondendo a diversi chip con diverse geometrie di microcanali:
- Segmented flow: formazione di goccioline di dimensioni maggiori rispetto alla dimensione dell’intersezione dei 2 canali.
- Flow focusing: forma goccioline con un’ampia gamma di dimensioni rispetto alla dimensione dell’intersezione
- Miscelazione di più reagenti: 2 microcanali con fluidi miscibili si incrociano con un terzo in modo da poter miscelare 2 reagenti all’interno delle goccioline, che possono essere utilizzate come piccoli reattori per ottenere un alto livello di controllo chimico o per formare perle di gelatina.
Per la preparazione di emulsioni doppie o per l’incapsulamento, si possono utilizzare più chip in serie.
Micromixing – emulsification method
Applicazioni:
- emulsioni
- microparticelle polimeriche
La metodologia del micromixing utilizza un chip con microcanali a spina di pesce che creano tagli ripetuti tra due fluidi poco miscibili, formando un’emulsione. Questa metodologia genera particelle con una distribuzione dimensionale leggermente più ampia, ma ha il vantaggio di una capacità di produzione molto più elevata.
Microfluidic Hydrodynamic Focusing (MHF)
Applicazioni:
- nanoparticelle polimeriche
- liposomi
- etc.
La tecnologia Microfluidic Hydrodynamic Focusing (MHF) consente la preparazione di nanoparticelle polimeriche o di liposomi, e utilizza 2 fluidi miscibili, come ad esempio acqua e acetone.
Nanoparticelle polimeriche (e.g. PLGA): il liquido contenente il polimero viene focalizzato tra due flussi d’acqua convergenti di portata maggiore. Dopo stabilizzazione del flusso focalizzato, il solvente contenente il polimero comincia a diffondere fuori dalla corrente focalizzata mentre si osserva la diffusione dell’acqua all’interno della corrente focalizzata, destabilizzando la soluzione polimerica. Ciò provoca la precipitazione delle nanoparticelle all’interfaccia tra i due fluidi, all’interno del microcanale. La dimensione delle particelle può essere controllata con l’aggiunta di un tensioattivo nella fase acquosa, che inibisce l’ulteriore crescita delle particelle.
Liposomi: Una soluzione lipidica in alcool viene focalizzata tra due flussi laterali (o coassiali) di una fase acquosa. La diffusione dell’alcool nella fase acquosa e viceversa innesca la formazione dei liposomi. La dimensione dei liposomi può essere accuratamente controllata modificando il rapporto di portata (FRR) tra la fase acquosa e la fase lipidica.
