Diffusione di sostanze in microcanali : applicazioni ai generatori di gradienti di concentrazione

Microsystems able to generate different concentration levels or gradients of a substance are important for the studies on cells life. In this thesis a generator of many concentration levels has been designed using microchannels. It is based on diffusion of a substance, it is easy to fabricate and to use. An analytical model that describes diffusion in microchannels has been studied. Using this analytical model and a fluorescence microscope, a method to estimate the diffusion coefficient of a substance in a liquid has been implemented. A microsystem able to generate different concentration levels has been designed. In this microsystem there are two inlet channels with different substances that are mixed in a microchannel; the outlets are at different lengths of the mixing microchannel to generate the concentration level requested. To describe the diffusion in the generator and to calculate the concentration levels an analytical model has been implemented. To evaluate the limits of this model, the analytical results have been compared with the results of a computational model that describes the 3D fluid-dynamic behaviour, mass transport and diffusive phenomena of the chemicals involved. The designed microsystem has been fabricated in PDMS for an osteoporosis drug screening application during the µFluFarma project realized by LaBS – Politecnico di Milano, Fondazione Bruno Kessler (TN) and IRCCS Istituto Ortopedico Galeazzi (MI). The generator of concentration levels realized is a good microsystem if many concentrations are requested, but the control of the concentration values is not exact.

I microsistemi che generano diversi livelli o gradienti di concentrazione di una sostanza sono importanti per lo studio della vita cellulare. In questo lavoro di tesi è stato progettato un generatore di livelli di concentrazione costituito da microcanali, basato sulla diffusione di sostanze, tecnologicamente semplice, poco ingombrante, facile da usare e capace di creare numerosi livelli di concentrazione. Nel lavoro di progetto, si è prima analizzato un modello analitico per la diffusione in un microcanale. Poi si è presentata una metodologia per la determinazione del coefficiente di diffusione di una sostanza in un liquido che prevede la realizzazione di prove sperimentali con microscopio a fluorescenza e l’utilizzo del modello analitico studiato. Successivamente è stato progettato un microsistema che può generare diversi livelli di concentrazione di una sostanza: il microdispositivo è costituito da due canali contenenti sostanze differenti che vengono miscelate fra loro in un microcanale principale; a lunghezze diverse di questo microcanale si hanno degli spillamenti in base al valore di concentrazione richiesta. È stato implementato un modello analitico in grado di descrivere i fenomeni diffusivi nel generatore e prevedere i livelli di concentrazione in uscita. Per valutare ciò che le ipotesi del modello analitico portano a trascurare, i risultati del modello analitico sono stati confrontati con quelli di un modello computazionale a volumi finiti, che descrive la fluidodinamica tridimensionale in termini di trasporto di massa e fenomeni diffusivi delle sostanze coinvolte. Il microdispositivo progettato è stato realizzato in PDMS per applicazioni di drug screening per osteoporosi nell’ambito del progetto µFluFarma realizzato in collaborazione tra LaBS – Politecnico di Milano, Fondazione Bruno Kessler (TN), IRCCS Istituto Ortopedico Galeazzi (MI). Il generatore di livelli di concentrazione progettato è funzionale se si desidera un sistema con tante concentrazioni in uscita a scapito di un non preciso controllo dei valori stessi di concentrazione.