Quando si pensa alla micro o nanotecnologia, probabilmente pensi a piccoli dispositivi elettronici come il tuo telefono, un minuscolo robot o un microchip. Ma i test COVID-19, che si sono rivelati fondamentali per controllare la pandemia, sono anche una forma di tecnologia miniaturizzata. Molti test COVID-19 possono dare risultati in poche ore senza la necessità di inviare un campione a un laboratorio, e la maggior parte di questi test utilizza un approccio chiamato microfluidica.

Sono un professore di bioingegneria e lavoro con la microfluidica per le mie ricerche. Tutto, dai test di gravidanza alle strisce di glucosio, alle stampanti a getto d'inchiostro, ai test genetici, si basa sulla microfluidica. Questa tecnologia, all'insaputa di molte persone, è ovunque e fondamentale per molte delle cose che fanno girare il mondo moderno.

Cosa sono i microfluidici?

I sistemi microfluidici sono qualsiasi dispositivo che elabora minuscole quantità di liquidi. I fluidi viaggiano attraverso canali più sottili di un capello, e minuscole valvole possono attivare e disattivare il flusso. Questi canali sono realizzati con materiali come vetro, polimeri, carta o gel. Un modo per spostare i fluidi è con una pompa meccanica; un altro modo è utilizzare le cariche superficiali di certi materiali; e ancora un altro è usare la cosiddetta azione capillare, più comunemente nota come traspirazione. L'assorbimento è il processo mediante il quale l'energia immagazzinata all'interno del liquido spinge il liquido attraverso spazi ristretti.

A piccola scala, i fluidi si comportano in modi non intuitivi. Non immaginare il turbolento, flusso caotico che esce da un tubo da giardino o dal soffione della doccia. Anziché, nei volumi ristretti di un microcanale, i flussi sono stranamente stabili. I fluidi si muovono lungo il canale in flussi paralleli organizzati, chiamati flusso laminare. Il flusso laminare è una delle grandi meraviglie dei sistemi microfluidici. I fluidi e le particelle nel flusso laminare seguono percorsi matematicamente prevedibili, una necessità per l'ingegneria di precisione e la progettazione di dispositivi medici.

Questi processi, che ispirano i ricercatori, esistono in natura da eoni. Le piante trasportano i nutrienti dalle radici fino ai rami più alti per capillarità, l'ispirazione per circuiti microfluidici che sono alimentati autonomamente. Imitando le proprietà fisiche delle gocce di pioggia, i chimici hanno progettato dispositivi che rompono un campione in milioni di goccioline e le analizzano a velocità vertiginose. Ogni goccia è essenzialmente un minuscolo laboratorio chimico che consente ai chimici di studiare l'evoluzione delle biomolecole ed eseguire analisi genetiche ultrarapide, tra l'altro.

E infine, ogni angolo del corpo umano è microfluidico. Non potremmo nascere o funzionare senza intricati capillari sanguigni che portano cibo, ossigeno e molecole di segnalazione a ogni cellula.

I vantaggi della piccola tecnologia

Proprio come la microelettronica, la dimensione è fondamentale nella microfluidica.

Man mano che i componenti diventano più piccoli, i dispositivi possono fare affidamento sulle strane proprietà dei liquidi su scale minuscole, possono operare in modo più rapido ed efficiente e sono più economici da produrre. La rivoluzione della microfluidica si è silenziosamente appoggiata alla sua controparte elettronica.

Un altro importante vantaggio dei dispositivi microfluidici è che richiedono solo quantità molto piccole di liquido e quindi possono essere di dimensioni ridotte. La NASA ha preso in considerazione a lungo gli analizzatori microfluidici per i suoi rover su Marte. L'analisi di fluidi preziosi, come il sangue umano, beneficia anche della possibilità di utilizzare piccoli campioni. Per esempio, i glucometri sono strumenti microfluidici che richiedono solo una goccia di sangue per misurare la glicemia di un diabetico.

Microfluidica in tecnologia, biologia e medicina

È probabile che tu usi la microfluidica abbastanza spesso nella tua vita. Le stampanti a getto d'inchiostro sparano minuscole goccioline d'inchiostro. Le stampanti 3D spremono il polimero fuso attraverso un ugello microfluidico. L'inchiostro nelle penne stilografiche e nelle penne a sfera scorre tramite principi microfluidici. I nebulizzatori per i pazienti asmatici spruzzano una nebbia di microscopiche goccioline di farmaco. Un test di gravidanza si basa sul flusso di urina all'interno di una striscia di carta microfluidica.

Nella ricerca scientifica, la microfluidica può dirigere i farmaci, nutrienti o qualsiasi fluido a parti molto specifiche di organismi per simulare in modo più preciso i processi biologici.

Per esempio, i ricercatori hanno intrappolato i vermi nei canali e li hanno stimolati con gli odori per conoscere i circuiti neurali. Un altro team ha diretto i nutrienti verso aree specifiche della radice di una pianta per osservare diverse reazioni alle sostanze chimiche della crescita. Altri gruppi hanno ideato trappole microfluidiche che catturano fisicamente rare cellule tumorali dal sangue. Una moltitudine di chip genetici microfluidici fornisce il potere di sequenziare rapidamente il genoma umano e rendere i test del DNA personalizzati come 23andMe una realtà. Niente di tutto questo sarebbe stato possibile senza la microfluidica.

Il futuro della microfluidica

La microfluidica sarà fondamentale per introdurre la medicina in un nuovo, veloce, epoca conveniente. I dispositivi indossabili che misurano le sostanze nel sudore per il monitoraggio degli esercizi e i dispositivi impiantabili che forniscono localmente farmaci antitumorali al tumore di un paziente sono alcune delle prossime frontiere della microfluidica biomedica.

I ricercatori stanno sviluppando complessi, affascinanti sistemi microfluidici chiamati organ-on-a-chip che mirano a simulare vari aspetti della fisiologia umana. Nel mio laboratorio e in altri laboratori in tutto il mondo, i team stanno sviluppando piattaforme tumor-on-a-chip per testare i farmaci antitumorali in modo più efficiente. Questi avatar di pazienti consentiranno agli scienziati di testare nuovi trattamenti in un modo che non comporti costi, sofferenza e problemi etici associati ai test sugli animali o sull'uomo. Nel mio laboratorio, prima sezionare una biopsia tumorale da un malato di cancro in migliaia di microscopici pezzi regolari che manteniamo in vita. In virtù delle loro piccole dimensioni, possiamo usare la microfluidica per intrappolare i minuscoli frammenti di tumore in più pozzetti, un pozzetto per farmaco. Questi campioni conservano l'ambiente cellulare appropriato del tumore che ci consentirà di prevedere in modo più accurato come funzionerà un farmaco per una persona specifica.

Immagina di andare dal dottore, ottenere una biopsia estratta, e in meno di una settimana, utilizzando il nostro dispositivo microfluidico, il medico può capire quale cocktail di farmaci funziona meglio per rimuovere il tumore. Che è ancora nel futuro, ma quello che sappiamo è che il futuro sarà microfluidico.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.