Un bioreattore microfluidico è costituito da due camere separate da una membrana di silicio nanoporoso. Consente analisi basate sul flusso utilizzando quantità minime di reagente. La membrana di silicio ultrasottile fornisce un'eccellente imitazione delle proprietà di barriera biologica. NOTA:questa immagine combina due esposizioni per catturare le parti più luminose e quelle più scure della scena, che superano la gamma dinamica del sensore della fotocamera. Il composto risultante è più fedele a ciò che l'occhio effettivamente vede. Credito:Adam Fenster/Università di Rochester.
La capacità di ridurre i processi su scala di laboratorio a sistemi automatizzati delle dimensioni di un chip rivoluzionerebbe la biotecnologia e la medicina. Per esempio, dispositivi poco costosi e altamente portatili che elaborano campioni di sangue per rilevare agenti biologici come l'antrace sono necessari per le forze armate statunitensi e per gli sforzi di sicurezza interna. Una delle sfide della tecnologia "lab-on-a-chip" è la necessità di pompe miniaturizzate per spostare soluzioni attraverso microcanali. Pompe elettroosmotiche (EOP), dispositivi in cui i fluidi sembrano muoversi magicamente attraverso mezzi porosi in presenza di un campo elettrico, sono ideali perché possono essere facilmente miniaturizzati. EOP tuttavia, richiedono ingombranti, fonti di alimentazione esterne, che sconfigge il concetto di portabilità. Ma una membrana di silicio supersottile sviluppata presso l'Università di Rochester potrebbe ora consentire di ridurre drasticamente la fonte di energia, aprendo la strada a dispositivi diagnostici delle dimensioni di una carta di credito.
"Fino ad ora, le pompe elettroosmotiche hanno dovuto funzionare a un voltaggio molto alto, circa 10 kilovolt, " ha detto James McGrath, professore associato di ingegneria biomedica. "Il nostro dispositivo funziona nell'intervallo di un quarto di volt, il che significa che può essere integrato nei dispositivi e alimentato con piccole batterie."
Il documento di ricerca di McGrath viene pubblicato questa settimana dalla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
McGrath e il suo team utilizzano membrane porose in silicio nanocristallino (pnc-Si) che sono microscopicamente sottili:ne occorrono più di mille impilate l'una sull'altra per eguagliare la larghezza di un capello umano. Ed è questo che consente un sistema a bassa tensione.
È necessario posizionare una membrana porosa tra due elettrodi per creare ciò che è noto come flusso elettroosmotico, che si verifica quando un campo elettrico interagisce con ioni su una superficie carica, facendo muovere i fluidi attraverso i canali. Le membrane precedentemente utilizzate negli EOP hanno determinato una significativa caduta di tensione tra gli elettrodi, costringendo gli ingegneri a iniziare con ingombranti, fonti di energia ad alta tensione. Le sottili membrane pnc Si consentono di posizionare gli elettrodi molto più vicini l'uno all'altro, creando un campo elettrico molto più forte con una caduta di tensione molto più piccola. Di conseguenza, è necessaria una fonte di alimentazione più piccola.
"Fino ad ora, non tutto ciò che è associato alle pompe in miniatura è stato miniaturizzato, " ha detto McGrath. "Il nostro dispositivo apre la porta a un numero enorme di applicazioni".
Insieme alle applicazioni mediche, è stato suggerito che gli EOP potrebbero essere utilizzati per raffreddare i dispositivi elettronici. Man mano che i dispositivi elettronici diventano più piccoli, i componenti sono imballati più strettamente, rendendo più facile il surriscaldamento dei dispositivi. Con alimentatori in miniatura, potrebbe essere possibile utilizzare EOP per aiutare a raffreddare laptop e altri dispositivi elettronici portatili.
McGrath ha detto che c'è un altro vantaggio per le membrane di silicio. "Grazie ai metodi di fabbricazione scalabili, le membrane in silicio nanocristallino sono poco costose da realizzare e possono essere facilmente integrate su chip microfluidi a base di silicio o silice."
