Un concetto importante nell'assistenza sanitaria futura è lo sviluppo di dispositivi chiamati "lab on a chip". Questi "chip, "non correlato a quelli elettronici che si trovano nei computer, sono piccoli dispositivi in ​​cui vengono iniettati fluidi biologici, ad esempio sangue o urina, per riempire canali microscopici appositamente progettati. Questi canali conterrebbero biosensori in grado di rilevare, ad esempio, marcatori specifici per malattie all'interno del fluido e fornire una diagnosi rapida. Una vasta gamma di analisi potrebbe essere eseguita su un dispositivo di pochi centimetri quadrati. Però, un problema che sorge è la dimensione del campione di fluido iniettato all'interno del chip, con piccoli volumi fino a un miliardesimo di litro. A causa della mancanza di tecnologie disponibili, i ricercatori non hanno ancora compreso appieno come si comportano i fluidi – particolarmente complessi di origine biologica – su scale così piccole.

La prof.ssa Amy Shen e i membri del suo team dell'Unità di micro/bio/nanofluidica dell'OIST hanno concentrato i loro sforzi sull'utilizzo della microfluidica come strumento per rivelare le leggi e i principi che regolano il comportamento di fluidi complessi su scala microscopica. Poi in una seconda fase, fanno uso di queste scoperte per fornire applicazioni dirette nel settore sanitario e delle biotecnologie. Le loro recenti scoperte possono essere trovate nel Giornale di reologia dall'Istituto Americano di Fisica.

Caratterizzazione del comportamento delle soluzioni polimeriche su scala microscopica

I polimeri sono grandi molecole costituite da molte unità simili ripetute. Sono onnipresenti nella vita di tutti i giorni, che costituiscono la maggior parte dei materiali sintetici che utilizziamo, dai tessuti alla gomma e al polistirolo. Le soluzioni polimeriche liquide si trovano in molti articoli commerciali, dai prodotti per la pulizia della casa alle vernici. Ma è su scala microscopica che le soluzioni polimeriche potrebbero migliorare drasticamente gli strumenti diagnostici.

"Quando aggiungi un polimero a una sospensione di particelle in acqua, si innesca un nuovo fenomeno nel canale microfluidico, " ha spiegato il dottor Del Giudice. "Questi polimeri iniziano a fungere da molle per calciare particelle o cellule nella sospensione, spingendoli verso il centro del canale e favorendone l'allineamento." Essere in grado di disporre particelle o cellule all'interno di un canale microscopico rappresenta un enorme miglioramento per l'uso dei biosensori nella diagnosi sanitaria. Le soluzioni polimeriche potrebbero persino separare e ordinare per dimensione diversi componenti in un fluido biologico complesso, ad esempio sangue, composto da cellule e aggregati di molte dimensioni – all'interno di un singolo chip microfluidico.

Ma questo fenomeno è fortemente dipendente dalla natura del polimero stesso. Ci vuole tempo perché il polimero in una soluzione diluita ritorni alla sua forma originale dopo essere stato deformato dal flusso. Questo ritardo, chiamato il tempo di rilassamento, è un parametro critico da misurare per descrivere il comportamento del polimero. Oggi, le attuali tecniche per misurare i tempi di rilassamento sono limitate dalla sensibilità degli strumenti commerciali disponibili, che sono in grado di misurare solo tempi di rilassamento relativamente lunghi come quelli di soluzioni polimeriche concentrate in grandi volumi.

Nel loro lavoro, Il dott. Francesco Del Giudice e il dott. Simon Haward hanno progettato dispositivi microfluidici per osservare la deformazione e il rilassamento dei polimeri all'interno di canali di larghezza micrometrica. Queste piattaforme consentono ai ricercatori di allungare o tagliare i polimeri a piacimento utilizzando bassi volumi e basse concentrazioni e di registrare le reazioni a tali forze. In questo modo, possono caratterizzare fluidi polimerici diluiti con tempi di rilassamento anche molto brevi, e quindi avere un'idea molto migliore del loro comportamento su scala microscopica.

L'utilizzo di questi nuovi strumenti microfluidici consentirebbe ai ricercatori di generare un catalogo di diversi fluidi polimerici i cui tempi di rilassamento sono noti. Con un database di questo tipo a loro disposizione, gli scienziati potrebbero quindi scegliere un polimero appropriato per l'allineamento e/o la separazione delle molecole all'interno del fluido biologico che desiderano studiare all'interno del loro chip. "Per di qua, la comprensione delle soluzioni polimeriche ti consentirà di creare una piattaforma ad alto rendimento su un chip composto da diversi moduli, ciascuno esegue analisi diverse" ha aggiunto il dott. Del Giudice.