Progettazione e modellazione fluidodinamica di un dispositivo microfluidico per PCR con attivazione elettrosmotica

The present work consists in the design and fluid dynamic modeling of a Polymerase Chain Reaction (PCR) microfluidic device. The actuator to move the sample inside a buffer solution is electroosmotically activated. In recent times, study of gene expression has become one of the most important areas of research : its purpose is the identification of subsets of genes that have different expressions. The aim of PCR is the amplification of portions of DNA through a heat-activated enzymatic cyclic reaction. In vitro amplification allows to obtain a larger amount of genetic material, necessary for subsequent analyses, by a small portion of DNA. Unfortunately, PCR is at the moment confined in specialized laboratories because of the high costs and large size of the instrumentation. In addition it’s necessary to commit it to specialized operators.. However, thanks to microfluidics, new efficient systems have been developed, less expensive and miniaturized. These devices are called "lab on chip". They are able to perform analyses, including PCR, and integrate multiple functions dealing with extremely small volumes in order of µl. For this reason, the thesis work is aimed at modeling fluid dynamic flow in a microfluidic device for PCR, where the actuator consists in electroosmotic pump. The software used is COMSOL Multiphysics version 4.0. The following part is a brief description of the thesis, which is divided in four chapters: • the first chapter provides an overview of PCR, from traditional PCR to Real Time PCR. In addition, most common devices are presented. We recall the importance of this analysis technique because it’s applied in many fields including medicine for the diagnosis of infectious or genetic diseases, identification of cancer cells, in forensic for the analysis of biological remains, in the food industry for identification of GMOs or in paleontological and anthropological studies in extracting DNA from remains of organisms. • The second chapter introduces the basic principles of electroosmosis. The electroosmosis and electrophoresis are part of a branch called electrohydrodynamic, also known as electro-fluid-dynamics or electrokinetics, which deals with the study of the motion of a fluid in a pipe or solid particles in a suspension due to the action of an electric field. When a polar liquid and a solid are in contact, it happens that the solid surface acquires a charge, then generates the electric double layer (EDL), the outer layer is made up of charge, which are set in motion by an electric field and drag the rest of the fluid in the channel.. This physical principle can be used to develop an electroosmotic pumps, so ours ultimate goal will be to model an electroosmotic pump that can move the sample in a microfluidic device for PCR. The electroosmosis allow us to move fluids in a pipe without using mechanical moving parts. Moreover, it’s possible to design devices called electroosmotic pumps, that generate a pumping action into a device that has no walls electroosmotically activated. • The third chapter focuses on the design of the device. It shows how the actuator is electroosmotically activated, and the preliminary prototype of the PCR device, it points out the reasons of the design solutions. The first part of this chapter will discuss the design of the electroosmotic pump, which has been modeled using numerical analysis carried out with COMSOL Multiphysics version 4.0. The second part will cover the design and characterization of the complete device, also modeled with numerical simulations. • The fourth chapter provides detailed descriptions of the numerical models. The first part of this chapter is focused on the characterization of the single pumping channel, then it points out the models of the parallel pumping channels, and then the derived quantities that characterize the functioning of a pump, including: the flow rate, generated pressure and its efficiency. Reworking the numerical results it was possible to derive the characteristics of the electroosmotic pumps. These has been then introduced as boundary conditions in the fluid dynamic models of the complete PCR device. Finally, the discussion of the results, on the potentiality and the limits of the model are presented, followed by the possible future developments.

Il presente lavoro di tesi consiste nella progettazione e modellazione fluidodinamica di un dispositivo microfluidico per PCR (polymerase chain reaction) alimentato da micropompe elettrosmotiche attivate in sequenza. La PCR è uno strumento essenziale per l’indagine dell’espressione genica in quanto permette lo studio di campioni di DNA, rendendo disponibile una quantità utile e necessaria allo svolgimento dei successivi step di analisi. Negli ultimi tempi, tra i più attuali filoni di ricerca, è sempre più rilevante lo studio dell’espressione genica, il cui scopo è quello di identificare eventuali sottogruppi di geni che presentano differenti espressioni. Tra le tecniche di analisi, ha assunto un ruolo importante la PCR, il cui risultato è quello di amplificare una porzione di DNA d’interesse attraverso una reazione enzimatica attivata termicamente. L’amplificazione in vitro permette di ottenere da una piccola porzione di DNA, una quantità maggiore di materiale genetico necessaria per le successive analisi. Purtroppo la PCR è per ora confinata nell’ambito di laboratori specializzati, a causa dell’elevato costo e delle grandi dimensioni della strumentazione oltre al fatto che è necessario affidarne l’esecuzione a personale specializzato. Tuttavia, si stanno sviluppando sempre di più sistemi efficienti, meno costosi e miniaturizzati nell’ambito della microfluidica fra cui i “Lab On Chip”. Questi dispositivi sono in grado di svolgere analisi, fra cui anche la PCR, e integrare funzioni multiple trattando volumi estremamente piccoli dell’ordine di µl. Per questo motivo, il lavoro di tesi è finalizzato alla modellazione fluidodinamica di un dispositivo microfluidico per PCR, il cui attuatore è costituito da pompe elettrosmotiche. Il software con cui sono stati implementati i modelli numerici è COMSOL Multiphysics versione 4.0. Di seguito viene riportata una sintetica descrizione del lavoro di tesi, che si divide in quattro capitoli: • il primo capitolo offre una panoramica sulla PCR, a partire da quella tradizionale sino a giungere alla Real Time PCR. Vengono anche presentati sinteticamente le tipologie di dispositivi per metterla in atto. Ricordiamo l’importanza di tale tecnica di analisi che viene applicata in molti settori fra cui la medicina per la diagnosi di malattie infettive, genetiche o per l’identificazione di cellule tumorali, in medicina legale per analizzare resti biologici, nel settore agroalimentare per l’identificazione di OGM o di agenti patogeni e negli studi paleontologici e antropologici estraendo il DNA da reperti degli organismi in studio. • Nel secondo capitolo vengono presentati i principi di base dell’elettrosmosi. L’elettrosmosi e l’elettroforesi fanno parte di una branca molto più ampia detta elettroidrodinamica, la quale si occupa dello studio del moto di un fluido in un condotto o di particelle solide in una sospensione dovuto all’azione di un campo elettrico, cioè ad una forza di natura elettrostatica. Quando un liquido polare ed un solido vengono a contatto accade che la superficie del solido acquisisce una carica superficiale, quindi si genera un doppio strato di cariche di cui uno è mobile ed è in grado di muovere il fluido per trascinamento. Si mostrerà come tale principio fisico si possa impiegare per sviluppare una pompa elettrosmotica. Lo scopo finale sarà quello di modellare una pompa elettrosmotica che possa movimentare il campione del DNA sottoposto a PCR lungo un ciclo termico definito in un dispositivo alla scala micrometrica. La potenzialità dell’elettrosmosi risiede nel fatto che essa permette di mettere in moto un fluido in un condotto senza fare uso di parti meccaniche in movimento. Inoltre, è anche possibile progettare device denominati pompe elettrosmotiche che generano un’azione di pompaggio immettendo la portata in un dispositivo che non ha pareti attivate elettrosmoticamente. • Il terzo capitolo è incentrato sul design del dispositivo. Verrà illustrata la progettazione dell’attuatore pompante attivato elettrosmoticamente e descritto il prototipo preliminare del device per PCR. Mostreremo le ragioni per cui sono state adottate determinate soluzioni di progetto. La prima parte di tale capitolo riguarderà il design della pompa elettrosmotica, che è stata modellata tramite analisi numerica realizzata con COMSOL Multiphysics versione 4.0. La seconda parte riguarderà il design e la caratterizzazione del dispositivo completo, anch’esso modellato numericamente in simulazioni in cui vengono accoppiate le caratteristiche delle diverse geometrie pompanti al dispositivo per PCR. • Il quarto capitolo presenta i modelli numerici: definizione delle geometria e della mesh, condizioni di bordo e metodi di soluzione. La prima parte di tale capitolo è incentrata sulla caratterizzazione del singolo canale pompante. Una seconda parte tratta l’assemblaggio di n canali in parallelo a formare un dispositivo pompante. In questa parte si presentano le grandezze ricavate, che caratterizzano il funzionamento di una pompa ad attivazione elettrosmotica: la portata erogata, la pressione generata e la sua efficienza. Rielaborando i risultati numerici è stato possibile ricavare le funzioni caratteristiche delle pompe elettrosmotiche modellate. Queste funzioni sono state successivamente utilizzate come condizioni di ingresso/uscita nei modello fluidodinamico del dispositivo. Dai modelli che rappresentano il funzionamento del dispositivo completo è stato possibile estrarre risultati utili a stimare e ottimizzare i tempi di percorrenza di un eventuale campione di DNA all’interno del device, allo scopo di dimensionare correttamente il ciclo termico della PCR. A conclusione del lavoro vengono discusse le potenzialità i limiti del modello sviluppato, con particolare attenzione ai possibili sviluppi.