microFLUID

microFLUID (micro-Fabrication of polymeric Lab-on-a-chip by Ultrafast lasers with Integrated optical Detection) è un Progetto Europeo che rientra nel Seventh Framework Programme (FP7), coordinato dall’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie – CNR (Milano, Italia), a cui hanno partecipato nove aziende e università, provenienti da Italia, Germania, Francia, Grande Bretagna e Svizzera, in particolare:

• Laser Zentrum Hannover (Germany)
• Institut d’Alembert – ENS Cachan- CNRS (France)
• Politecnico di Milano (Italy)
• University of Manchester (U.K.)
• Agrolabo SpA (Italy)
• Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (Switzerland)
• Microfluidic Chip Shop GmbH (Germany)
• Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH (Germany)

Obiettivo principale del progetto era l’utilizzo di laser a femtosecondi per la creazione di piattaforme di micro fabbricazione altamente flessibili per LOCs (Lab-on-chip) polimerici con rilevamento ottico integrato, per la realizzazione di microsistemi biofotonici economici e portatili.

In particolare, Agrolabo SpA si è dedicata allo sviluppo di un prototipo di dispositivo rapido e semplice per la determinazione delle micotossine in campioni di diversa natura (cereali, latte, frutta secca, spezie…), in grado di fornire risultati in tempi più ridotti rispetto ai test tradizionalmente utilizzati.

Il progetto è stato presentato nel 2010 e nel 2011, rispettivamente in Svizzera ed in Spagna:

4th MNBS Concertation Workshop, Neuchâtel, 15-16 Febbraio, 2010

5th MNBS Concertation Workshop, Mondragón, Spagna, 5-6 Aprile, 2011

Lab-on-chips (LOCs) sono microsistemi in grado di manipolare piccole quantità (da micro a nanolitri) di fluidi nei canali microfluidici con dimensioni da dieci a cento micrometri: hanno un enorme potenziale applicativo in diversi campi della chimica e delle scienze della vita. Nonostante il loro potenziale, le sfruttamento commerciale dei LOC è stato finora lento.
Due innovazioni che potrebbero promuovere la diffusione dei LOC sono:

• (i) una tecnologia di fabbricazione con funzionalità di prototipizzazione rapida e a basso costo,
• (ii) un rilevamento ottico integrato on chip.

I polimeri stanno rapidamente emergendo come materiale di scelta per i substrati LOC, grazie al loro basso costo, alle proprietà ottiche favorevoli e alla facilità di elaborazione. Molti di questi sono già disponibili in commercio, ma sono possibili un numero quasi illimitato di modifiche nella composizione per un’ulteriore ottimizzazione della struttura scelta. La fabbricazione con il laser è un processo flessibile, a basso costo e permette la creazione di una varietà di microstrutture in un’ampia gamma di materiali. In particolare, i laser a femtosecondi, a causa del loro peculiare regime di interazione con la luce, offrono capacità di microfabbricazione uniche. Per molto tempo il loro uso è stato praticamente limitato dal loro costo elevato e dalla loro complessità. I recenti progressi tecnologici hanno notevolmente migliorato le loro prestazioni e affidabilità, rendendoli disponibili come strumento pratico di microlavorazione. La fabbricazione laser a femtosecondi può essere impiegata in diverse fasi del ciclo produttivo: (i) la prototipazione rapida del chip microfluidico; (ii) la fabbricazione diretta di componenti fotonici sulla LOC per il rilevamento ottico integrato. L’obiettivo principale del progetto microFLUID è l’uso di laser a femtosecondi come una nuova piattaforma di microfabbricazione altamente flessibile per LOC polimerici con rilevamento ottico integrato, per la realizzazione di microsistemi biofotonici a basso costo e veramente portatili. Gli sviluppi scientifici del progetto saranno applicati a due dispositivi prototipali:
– LOC per la rilevazione di micotossine nei mangimi: le micotossine sono metaboliti tossici prodotti da funghi che crescono su alimenti o mangimi per animali. Le micotossine entrano nella catena alimentare umana attraverso carne o altri prodotti animali a seguito del consumo di mangimi contaminati da parte del bestiame. È ormai noto che le malattie causate dalle micotossine sono responsabili di gravi epidemie nell’uomo e negli animali. Per questo motivo è di grande importanza sviluppare test sensibili, accurati ed economicamente efficaci per l’individuazione e la quantizzazione della micotossina nei mangimi.
– Screening dell’acqua in LOC per la rilevazione di batteri e ioni di metalli pesanti: lo screening dell’acqua è molto importante per migliorare la salute umana e preservare l’ambiente. Nel caso di analisi di batteri, la coltura batterica quantitativa richiede molto tempo e denaro. Pertanto, è molto importante sviluppare un metodo di screening affidabile per la differenziazione dei campioni liquidi che contengono un numero significativo di batteri da quelli che non lo fanno. In questo progetto, la citometria a flusso ad alta produttività verrà impiegata come approccio rapido e fattibile per il rilevamento di batteri mediante metodi di dispersione della luce sensibili alla dimensione e alla forma. Hg2 +, Cd2 + e Pb2 + sono gli ioni di metalli pesanti più tossici che causano problemi ambientali e di salute. Per questo motivo, il livello degli ioni di metalli pesanti nell’acqua potabile è oggetto di regole severe. Mentre sofisticate tecniche analitiche sono attualmente utilizzati in applicazioni rilevanti per la massiccia contaminazione ambientale, vi è ancora un significativo bisogno di fornire metodi di monitoraggio economici e in tempo reale per l’individuazione di tracce di mercurio e piombo nell’acqua potabile, nelle aree inquinate e nei flussi di rifiuti industriali.

• Caratterizzazione morfologica e chimico-fisica delle superfici preparate con il laser per spiegare il miglioramento permanente osservato dell’idrofobicità.
• Scrittura della guida d’onda ottica con il laser femtosecondo in diversi substrati polimerici, inclusi il PMMA e il COP. I parametri per la fabbricazione dellal’onda guida sono stati identificati. La guida è visibile nell’intera gamma del visibile.

• Le lenti Fresnel sono state fabbricate in LOC polimerici per implementare il rilevamento ottico sui chip: è stata impiegata un’ablazione laser di superficie estremamente precisa per integrare le lenti di Fresnel, con lunghezza focale molto breve, in chip microfluidici
• Progettazione di dispositivi LOC per le due applicazioni del progetto: rilevamento delle micotossine e screening dell’acqua. I dispositivi sono progettati dal punto di vista del sistema, comprese le funzionalità fluidiche e ottiche

• Creazione di un modulo per l’estrazione di micotossine da alimenti solidi: un modulo esterno che può essere direttamente interfacciato con il LOC, in grado di macinare i solidi e di estrarre il loro contenuto di micotossine.Identificazione di protocolli immunologici per la rilevazione di micotossine mediante misure di assorbimento o di fluorescenza: anticorpi specifici per le aflatossine B1 e M1 sono stati isolati, purificati e clonati.La marcatura degli anticorpi con molecole adatte, fornisce il segnale ottico per il rilevamento delle micotossine nei saggi immunologici competitivi all’interno delle LOC.
  Sviluppo di un prototipo di citofluorimetro per il rilevamento di batteri: è stato costruito un citometro a flusso per il rilevamento di particelle mediante correlazione multicanale;è stato dimostrato un correlatore ad alta velocità basato su FPGA.
• Sintesi di ligandi specifici per ioni di metalli pesanti e innesto su una matrice polimerica: le molecole di ligando specifiche per Pb, Cd e Hg sono state sintetizzate e innestate su copolimeri a blocchi. Le microcavità laser fabbricate in questi materiali e immerse in un campione di acqua fluente forniranno un rilevamento di ioni metallici molto sensibile.

• E’ stato sviluppato un approccio alternativo per il rilevamento degli ioni di metalli pesanti basato sul rilevamento della fluorescenza: Un canale Y con elementi di micromixing è stato utilizzato per eseguire una reazione di complessazione tra la sonda fluorescente e il possibile ione di metalli pesanti. Ciò causa una variazione del segnale di fluorescenza che viene rilevato con i dispositivi integrati alla fine del canale.

In sintesi, il progetto ha generato una grande quantità di conoscenze multidisciplinari di base, che sono state diffuse dai partner attraverso pubblicazioni e presentazioni di conferenze. Un esempio è la comprensione più profonda dell’interazione tra impulsi di luce ultracorti e superfici polimeriche. D’altra parte, un considerevole lavoro viene eseguito verso applicazioni del mondo reale con lo sviluppo di diversi prototipi per il rilevamento di micotossine e lo screening dell’acqua.