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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 184 (2023) Citare questo articolo

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La microfluidica delle goccioline offre una piattaforma da cui sono state proposte nuove tecnologie di analisi molecolare digitale, screening delle malattie, guarigione delle ferite e sintesi dei materiali. Tuttavia, le attuali tecnologie commerciali di generazione, assemblaggio e imaging delle goccioline sono troppo costose e rigide per consentire una regolazione rapida e ad ampio raggio delle caratteristiche/carichi delle goccioline. Questo collo di bottiglia della prototipazione rapida ha limitato l’ulteriore espansione della sua applicazione. Qui viene presentato un kit microfluidico a goccioline di pipette fatto in casa economico. Questo kit include puntali per pipette ellittici che possono essere fabbricati con un semplice strumento fai-da-te (fai-da-te), un esclusivo chip di imaging a centro superficiale basato su nastro o stampato in 3D che consente un rapido assemblaggio/immobilizzazione e imaging di goccioline monostrato con un sistema intelligente fotocamera del telefono o microscopio in miniatura. Le goccioline vengono generate mediante pipettaggio manuale o automatico senza pompe microfluidiche costose e destinate al laboratorio. La dimensione delle goccioline e la viscosità/tensione superficiale del fluido possono variare in modo significativo grazie ai nostri particolari progetti di generazione, assemblaggio e imaging delle goccioline. La versatilità di questo kit di prototipazione rapida è dimostrata con tre applicazioni rappresentative che possono trarre vantaggio da una piattaforma microfluidica a goccioline: (1) Goccioline come microreattori per la reazione PCR con trascrizione inversa per rilevare e quantificare gli RNA target. (2) Le goccioline come microcompartimenti per la coltura della spirulina e i cambiamenti ottici di colore/torbidità nelle goccioline con spirulina confermano il successo della coltura fotosintetica. (3) Goccioline come modelli/stampi per la sintesi controllata di microgel Janus compositi in poliacrilammide/oro ricoperti in oro. Il kit portatile, facile da realizzare e di facile utilizzo, è quindi ideale per laboratori di progettazione, formazione e istruzione.

La microfluidica delle goccioline è emersa come un potente strumento per una varietà di applicazioni multidisciplinari1,2. Le interessanti tecnologie biotecnologiche commercializzate e proposte basate sulla microfluidica delle goccioline includono il test su singola cellula3,4, la PCR digitale con goccioline5,6, lo screening rapido del cancro7,8, lo screening farmacologico o immunoterapico9,10, lo screening della sensibilità agli antibiotici11, gli allotrapianti di isole impiantabili12,13 ecc. In generale, per queste e molte altre applicazioni, le goccioline vengono generalmente utilizzate come microreattori, microcompartimenti o modelli/stampi e un gran numero di esse garantiscono i vantaggi unici della microfluidica delle goccioline14,15,16,17. Un buon esempio è la reazione a catena della polimerasi digitale delle goccioline (ddPCR) che utilizza goccioline come microreattori6,18. Dividendo semplicemente la miscela di reazione PCR in molte goccioline uniformi, gli acidi nucleici target vengono distribuiti nelle goccioline secondo la distribuzione di Poisson e possono essere successivamente quantificati con risoluzione a copia singola dopo l'amplificazione PCR19. Le prestazioni migliorate sono migliorate da un gran numero di goccioline (104–106) che mitigano le influenze degli inibitori o dei non-bersagli e consentono una quantificazione assoluta senza la noiosa costruzione di curve standard20,21. Un altro esempio è l'incapsulamento di cellule/microrganismi in goccioline o microgel derivati ​​da goccioline che potrebbero fornire numerosi microcompartimenti con i microambienti biofisici/biochimici adeguati per lo studio ad alto rendimento di singole cellule e microrganismi isolati per accelerare lo screening e l'ottimizzazione su larga scala anche con l'analisi sequenziale dei test consentita da microgel permeabili13,22,23,24,25,26,27,28. Oltre alle applicazioni con microreattori e microcompartimenti, sono state suggerite goccioline come micro modelli/stampi per la sintesi di micro/nano-materiali morbidi e duri29,30,31. Le dimensioni miniaturizzate controllate, l'ampia area superficiale per unità di volume, il confinamento e un gran numero di goccioline consentono una facile sintesi di materiali con strutture e funzionalità desiderate a causa dei rapidi effetti di segregazione e concentrazione introdotti dall'elevato gradiente di idrofobicità, dalla forte interazione tensioattivo/superficie e dall'affollamento effetti32,33. La microfluidica delle goccioline ha chiaramente ispirato diverse tecnologie promettenti in numerose discipline.