Pensare fuori dal chip: progettare e sviluppare la microfluidica

May 11, 2023

di Steve Green

25 maggio 2023

10:15

Steve Green, responsabile del design presso Oxford Product Design, esplora alcune sfide meno discusse nella progettazione e nello sviluppo di dispositivi microfluidici per l'assistenza sanitaria.

Shutterstock macabro

patata fritta

In generale, la microfluidica implica il comportamento, la manipolazione e il controllo dei fluidi che sono vincolati all'interno di una geometria molto piccola, tipicamente su scala micrometrica. Nel settore medico, la microfluidica è diventata uno strumento sempre più importante per diverse applicazioni.

Un vantaggio chiave della microfluidica è la capacità di gestire quantità molto piccole di materiale biologico, come sangue o saliva. Ciò può essere particolarmente utile per i test diagnostici per prelevare piccoli campioni.

Consentendo a ricercatori e medici di gestire e analizzare piccoli volumi di materiale biologico con elevata precisione e accuratezza, la microfluidica sta contribuendo a promuovere progressi nella diagnostica, nella scoperta di farmaci e nella medicina personalizzata.

Nell'ambito della diagnostica, la microfluidica viene ampiamente utilizzata nello sviluppo di sistemi point-of-care, che possono essere utilizzati per rilevare rapidamente malattie o condizioni in un contesto clinico. Questi dispositivi possono essere progettati per essere portatili, economici per test, facili da usare e con risultati rapidi, rendendoli ideali per le situazioni di emergenza.

È un campo entusiasmante e in rapida evoluzione con un enorme potenziale per rivoluzionare il modo in cui affrontiamo l’assistenza sanitaria, ricevendo molta attenzione da parte dei media, del mondo accademico e dei venture capitalist. Sebbene ci siano dispositivi che iniziano a penetrare nel mercato, la realizzazione di questi vantaggi potrebbe non riflettere ancora il denaro e gli sforzi profusi.

Una sfida ovvia che attira gran parte degli sforzi e dell'attenzione durante lo sviluppo riguarda il dispositivo microfluidico (o "chip") stesso. L'interazione tra la dinamica dei fluidi, la chimica delle superfici e le tecniche di microfabbricazione, così come la comprensione della fisica e della chimica sottostanti, costituisce un ostacolo tecnico che assorbe l'attenzione. Inoltre, l'esigenza di risultati affidabili, riproducibili e scalabili richiede un attento bilanciamento e ottimizzazione degli sforzi durante tutto il processo di progettazione e sviluppo.

Tuttavia, il "chip" microfluidico è solo una piccola parte del sistema più ampio e l'integrazione di questi dispositivi con altri componenti e requisiti può essere impegnativa.

Ecco alcuni aspetti dei sistemi microfluidici che non rientrano nel chip e che non dovrebbero essere ignorati:

Integrazione del sistema: In molti casi, i sistemi microfluidici devono essere integrati con sistemi esterni, come pompe, valvole e sensori.

Interfacce : Il flusso del fluido è guidato dai gradienti di pressione. Progettare connessioni e interfacce fluidiche che siano pulite, affidabili, esenti da perdite e facili da usare può rappresentare una sfida ingegneristica significativa.

Controlli (rilevamento e feedback): Per ottenere un controllo a circuito chiuso sui sistemi microfluidici, è spesso necessario incorporare sensori e meccanismi di feedback. Ciò può rappresentare una sfida a causa delle dimensioni ridotte del sistema, che potrebbe richiedere lo sviluppo di tecnologie di rilevamento specializzate in grado di operare su microscala.

Stabilità e robustezza : I sistemi microfluidici possono essere sensibili ai cambiamenti delle condizioni ambientali, come temperatura, umidità e vibrazioni. Lo sviluppo di sistemi stabili e robusti richiede un'attenta progettazione di componenti e materiali, nonché algoritmi di controllo avanzati.

Introduzione del campione : L'introduzione di campioni biologici in dispositivi microfluidici presenta sfide quali la preparazione, la manipolazione e la conservazione dei campioni; volume e concentrazione del campione; contaminazione e reattività crociata; e sviluppo e validazione dei test. Queste sfide devono essere gestite con attenzione per garantire che i dispositivi microfluidici producano risultati affidabili e accurati.

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