La microfluidica a gocce sta vivendo un rapido sviluppo grazie alla sua capacità di isolare singole reazioni in volumi ridotti, aumentando così la velocità di analisi ed evitando lo spreco di risorse. In ambito biologico sono già ampiamente utilizzate microparticelle paramagnetiche per la manipolazione e l'estrazione di singole cellule, per la biopsia liquida. Ciò di cui si propone questa tesi è un studio preliminare finalizzato al riscalamento di tali metodologie all'interno di chip, tramite la fabbricazione di dispositivi microfluidici per la generazione e la manipolazione di gocce. L'elaborato parte dalla fase di progettazione e produzione dei dispositivi microfluidici, tramite tecniche di fotolitografia e Replica molding. Procede poi con una caratterizzazione delle dimensioni delle gocce, generate tramite un sistema di controllo a pressione. Si conferma in questa fase la crescita lineare del rapporto tra la lunghezza e la larghezza della goccia, in funzione del rapporto tra i flussi della fase dispersa e di quella continua. Viene caratterizzato il miscelamento delle diverse fasi componenti le gocce: fase acquosa e microparticelle paramagnetiche, che forniscono un supporto solido per un'ampia gamma di separazioni biomagnetiche e manipolazioni molecolari. Le gocce si miscelano completamente entro circa 40 mm dalla loro produzione, all'interno di un canale di sezione 200 μm per 300 μm. Si conclude con il set-up d'immissione e la successiva estrazione delle microparticelle paramagnetiche dalle gocce, tramite un campo magnetico generato da un magnete permanente. Per la buona riuscita dell'estrazione è necessario un elevato gradiente del campo, nei pressi del sito di estrazione. Droplets Microfluidics is experiencing a rapid development due to its capability to isolate single reactions within tight and confines spaces, thereby increasing analysis's speed and avoiding resource waste. Paramagnetic microparticles have been already widely employed in the biological field to manipulate and extract single cells, to perform liquid biopsy. This degree thesis is intended to provide a preliminary research on downscaling these methodologies into microchips through production of microfluidic devices to generate and manipulate drops. The research first investigates design and production of microfluidic devices achieved through photolithographic techniques and Replica Molding. The study then characterises the size of drops, generated by a pressure control system. At this stage, linear growth of length to width ratio is confirmed depending on the ratio between acqueous phase and continuous phase. The research characterises the mixing of the various phases composing drops: acqueous phase and paramagnetic microparticles that provide an excellent solid support for a wide range of biomagnetic separations, molecular manipulations and affinity isolations. Drops completely mix within 40 mm from their production, within a rectangular section microchannel 200 μm by 300 μm. The study ends with an injection set-up followed by paramagnetic microparticles extraction from drops, through a magnetic field generated by a permanent magnet. A high field gradient around the extraction point is a key element for the successful outcome of the extraction.

Fabbricazione di dispositivi microfluidici per generazione e manipolazione di gocce

Crestani, Beatrice
2020/2021

Abstract

La microfluidica a gocce sta vivendo un rapido sviluppo grazie alla sua capacità di isolare singole reazioni in volumi ridotti, aumentando così la velocità di analisi ed evitando lo spreco di risorse. In ambito biologico sono già ampiamente utilizzate microparticelle paramagnetiche per la manipolazione e l'estrazione di singole cellule, per la biopsia liquida. Ciò di cui si propone questa tesi è un studio preliminare finalizzato al riscalamento di tali metodologie all'interno di chip, tramite la fabbricazione di dispositivi microfluidici per la generazione e la manipolazione di gocce. L'elaborato parte dalla fase di progettazione e produzione dei dispositivi microfluidici, tramite tecniche di fotolitografia e Replica molding. Procede poi con una caratterizzazione delle dimensioni delle gocce, generate tramite un sistema di controllo a pressione. Si conferma in questa fase la crescita lineare del rapporto tra la lunghezza e la larghezza della goccia, in funzione del rapporto tra i flussi della fase dispersa e di quella continua. Viene caratterizzato il miscelamento delle diverse fasi componenti le gocce: fase acquosa e microparticelle paramagnetiche, che forniscono un supporto solido per un'ampia gamma di separazioni biomagnetiche e manipolazioni molecolari. Le gocce si miscelano completamente entro circa 40 mm dalla loro produzione, all'interno di un canale di sezione 200 μm per 300 μm. Si conclude con il set-up d'immissione e la successiva estrazione delle microparticelle paramagnetiche dalle gocce, tramite un campo magnetico generato da un magnete permanente. Per la buona riuscita dell'estrazione è necessario un elevato gradiente del campo, nei pressi del sito di estrazione. Droplets Microfluidics is experiencing a rapid development due to its capability to isolate single reactions within tight and confines spaces, thereby increasing analysis's speed and avoiding resource waste. Paramagnetic microparticles have been already widely employed in the biological field to manipulate and extract single cells, to perform liquid biopsy. This degree thesis is intended to provide a preliminary research on downscaling these methodologies into microchips through production of microfluidic devices to generate and manipulate drops. The research first investigates design and production of microfluidic devices achieved through photolithographic techniques and Replica Molding. The study then characterises the size of drops, generated by a pressure control system. At this stage, linear growth of length to width ratio is confirmed depending on the ratio between acqueous phase and continuous phase. The research characterises the mixing of the various phases composing drops: acqueous phase and paramagnetic microparticles that provide an excellent solid support for a wide range of biomagnetic separations, molecular manipulations and affinity isolations. Drops completely mix within 40 mm from their production, within a rectangular section microchannel 200 μm by 300 μm. The study ends with an injection set-up followed by paramagnetic microparticles extraction from drops, through a magnetic field generated by a permanent magnet. A high field gradient around the extraction point is a key element for the successful outcome of the extraction.
2020-09
25
microfluidica, gocce, microfabbricazione Keywords: microfluidics, droplets, microfabrication
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/22562