Metodi microfluidici per la produzione di microcapsule funzionali di gel biologici

Aim of this Master Thesis, carried out in a collaboration between Soft Matter Lab of Politecnico di Milano and the Food Science Department of Università degli Studi di Milano, is designing and making a preliminary realization of microencapsulation methods to obtain beads with an aqueous core and a shell made by a gel of a biological polymer, named alginate. The core should contain biofunctional solutes, like probiotics, vitamins or proteins, useful in the food science sector. The alginate shell has to grant that the aqueous phase pass unaltered the gastric tract and is released in the intestine, where alginate can adhere on intestinal villus. To reach this aim we used encapsulation techniques in microfluidics. This technology permits to handle small volume of sample and to produce monodisperse droplets and spherical capsule with a regular shell thickness. In order to reach the target to produce beads with an alginate gel shell which specific mechanical and permeability proprieties, we analyzed the polymer gelation process in bulk. This study was made using an innovative optical technique named Time Resolved Correlation Spectroscopy which permit to determine the temporal dynamic of gelation from the analysis of the speckle pattern generated by the light diffused by a sample illuminated with a partially coherent light source. Information obtained with this technique are used to design properly microfluidic circuits with an inlet for the curing agent and optimize the gelation process in the microfluidic circuit. Besides we studied in microfluidic the formation of core-shell system with analogue properties of the beads we want to obtain.

Scopo di questa tesi, svolta nel quadro di un progetto di collaborazione tra il laboratorio Soft Matter del Politecnico ed il dipartimento di Agraria dell'Università degli Studi di Milano, è la progettazione e la realizzazione preliminare di metodi per ottenere microcapsule costituite da gel di un polimero biologico, l'alginato, con una fase interna acquosa che possa ospitare soluti biofunzionali, quali vitamine, probiotici, o proteine, di interesse per applicazioni nel settore alimentare. Il guscio di alginato è formulato in modo da garantire che la fase interna passi inalterata nelle vie gastriche, per essere successivamente rilasciata a livello dei villi intestinali, su cui tale biopolimero può aderire efficacemente. Per raggiungere questo obiettivo, si è scelto di utilizzare tecniche di incapsulamento microfluidiche. Oltre a permettere di utilizzare volumi molto ridotti di campione, queste nuove tecniche sperimentali consentono di produrre gocce monodisperse e di ottenere capsule sferiche con uno spessore del guscio di alginato regolare. Con l'obiettivo di produrre microcapsule di gel di alginato con specifiche proprietà meccaniche e di permeabilità, è stato in primo luogo analizzato il processo di gelazione del polimero in \emph{bulk}. Lo studio è stato svolto utilizzando una tecnica ottica innovativa detta \emph{Time Resolved Correlation Spectroscopy} che permette, a partire dall'analisi del campo speckle generato dalla diffusione di luce dal campione illuminato con una sorgente luminosa spazialmente coerente, di determinare la dinamica temporale del processo di formazione del gel. Le informazioni ottenute con questa tecnica saranno utilizzate per dimensionare opportunamente i circuiti con l'ingresso per l'agente gelante e ottimizzare il processo di gelazione nel circuito di microfluidica. E' stato inoltre condotto uno studio preliminare della formazione in geometria microfluidica di sistemi core-shell con proprietà simili a quelli delle beads che si vogliono ottenere.