Digital microfluidic with alginate

Aim of this thesis work, carried out in collaboration between the Soft Matter Lab of Politecnico di Milano and the Food Science Department (DeFENS)of Università degli Studi di Milano, is the design and optimization of microencapsulation methods aimed to produce beads with an aqueous core surrounded by a shell made of alginate, a biopolymer gel. The core should be able to host biofunctional solutes, like probiotics, vitamins or proteins, useful for functional nutrition. The alginate shell has to grant the inner aqueous phase to pass unaltered though the gastric tract and to be released in the intestine, where alginate should adhere to the intestinal villi. Microfluidics, which has recently become widespread in research labs, allows handling small sample volumes and producing monodisperse droplets and spherical capsules with a controlled shell thickness. We have exploited a custom-made digital microfluidic setup for investigating the mechanism of droplet formation and for tuning the system parameters so to minimize fluid intermixing before gelation takes place, which is crucial to obtain microcapsules with well-separated inner phase and outer shell. In my work, I have identified those flow parameters that allow for stable droplet formation and highlighted some limits related to the use of PDMS as a material for the realization of the micro fluidic chip. In particular, the porosity of PDMS was found to allow for the diffusion of small molecules through the walls separating the channels, which induces instability effects. To solve this problem, I have performed a preliminary study to validate the effectiveness of a paraffin wax treatment of the microfluidic channels aimed to make them waterproof.

Scopo di questa tesi, inserita in un progetto di collaborazione tra il laboratorio Soft Matter del Politecnico di Milano e il Dipartimento di Scienze per gli Alimenti, la Nutrizione, l'Ambiente (DeFENS) della facoltà di Agraria dell'Università degli Studi di Milano, è stata la realizzazione e l'ottimizzazione di metodi per ottenere microcapsule costituite da gel di un polimero biologico, l'alginato. Le microcapsule sono costituite da una fase interna acquosa tale da poter ospitare soluti biofunzionali, quali vitamine, probiotici, o proteine, interessanti per applicazioni nel settore alimentare. Il guscio di alginato è formulato in modo da garantire che le microcapsule transitino inalterate nelle vie gastriche, per rilasciare poi la fase interna a livello dei villi intestinali, ai quali il biopolimero può aderire efficacemente. Usando tecniche di microfluidica digitale, sono stati studiati i meccanismi di formazione della goccia e i parametri del sistema con cui è possibile produrre microcapsule di alginato con fase interna e guscio esterno separati, minimizzando il mixing tra i fluidi utilizzati. La microfluidica digitale permette di utilizzare volumi molto ridotti di campione e di produrre gocce monodisperse e microcapsule sferiche con un guscio di alginato di spessore uniforme. Usando tecniche di microfluidica digitale, è stato possibile analizzare attraverso quali meccanismi si formino le gocce e per quali parametri del sistema sia possibile produrre microcapsule di alginato con fase interna e guscio esterno separati, minimizzando il mixing tra i fluidi utilizzati. I risultati ottenuti permettono di comprendere i parametri fondamentali e di ottimizzare il processo di gelazione interna nei circuiti di microfluidica da noi sviluppati. In particolare, sono stati determinati i valori dei parametri di flusso che rendono stabile nel tempo e riproducibile la formazione delle gocce, e sono state messe in luce le problematiche che derivano dall'uso del PDMS come materiale per la realizzazione dei circuiti, dovute essenzialmente alla porosità del PDMS che permette la diffusione di piccole molecole attraverso le pareti che separano i canali causando l'instabilità del sistema. Per ovviare a queste limitazioni, è stato in fine condotto uno studio preliminare sull'efficacia di un trattamento con cera di paraffina volto ad impermeabilizzare le pareti dei canali microfluidici.