STUDIO E ANALISI DI FENOMENI DIELETTROFORETICI
PER LA MANIPOLAZIONE DI MICROPARTICELLE IN DISPODITIVI
LAB-ON-CHIP
S. Coco(*), A. Laudani(*), S. Militello(*), S. Zini (*), M. Palmieri(§)
(*) DIEES, Università degli Studi di Catania
Viale A. Doria, 6, 95125 Catania
(§) STMicroelectronics, Catania
La realizzazione di dispositivi per la manipolazione e la separazione di bioparticelle, come
cellule, virus, batteri, proteine, costituisce l’obiettivo di molte attività avanzate nel campo
della bioingegneria. Attualmente, attraverso specifiche metodologie di selezione è stato
possibile identificare stati patologici ed individuare agenti patogeni. La tecnologia dei sistemi
micro-elettro-meccanici (MEMS) ha avuto grande influenza in molti campi ed è proprio
grazie a tale tecnologia che oggi è possibile lavorare con più competenza a livelli
micrometrici. In particolare l’esigenza di disporre di dispositivi economici, piccoli e molto
efficienti per la separazione e la manipolazione di bioparticelle ha fatto sì che la
dielettroforesi, cioè la forza sperimentata da una particella neutra immersa in un campo
elettrico non uniforme, sia stata identificata come la via migliore per la separazione delle
microparticelle. La teoria dielettroforetica convenzionale basata sull’approssimazione del
dipolo è però insufficiente a spiegare il fenomeno dielettroforetico osservato in regioni di
campo elettrico altamente divergente e in microcanali dove le dimensioni del dominio sono
comparabili alle dimensioni della particella. Negli anni sono stati condotti molti studi
sperimentali e teorici sulla dielettroforesi e sulle sue possibili applicazioni, ma pochi sono
stati i tentativi di simulazione numerica del fenomeno. La possibilità di analizzare
numericamente il fenomeno dielettroforetico è invece importante soprattutto nel caso di micro
e nanoparticelle.
L’obiettivo di questa memoria è descrivere un'attività di ricerca, svolta in collaborazione con
STMicroelectronics di Catania, che riguarda lo studio e l’analisi di dispositivi lab-on-chip
microfluidici basati sul BLOCS (Bio-Lab-On-Chip Simulation). In particolare l’attenzione è
stata focalizzata sullo sviluppo di un modello capace di tracciare la traiettoria di bioparticelle
sottoposte a campi elettrici non uniformi in un microsistema al fine di effettuarne una
selezione. Per tale ragione è stato necessario approfondire lo studio di due aspetti essenziali
che controllano l’intensità della forza e il moto delle particelle in un microcanale: il campo
elettrico generato da microelettrodi nel canale e il flusso del fluido biologico contenente le
bioparticelle.
In particolare l'attenzione è stata rivolta allo studio del fenomeno dielettroforetico con
riferimento alle componenti della dielettroforesi convenzionale e della dielettroforesi
traslazionale, in vista della separazione dei globuli bianchi o di altre cellule dal sangue.
Il fenomeno dielettroforetico è stato analizzato attraverso simulazioni numeriche che hanno
permesso una dettagliata analisi della dinamica delle particelle e hanno consentito di
individuare il ruolo dei vari parametri dimensionali. In particolare è stato verificato che nella
manipolazione tramite dielettroforesi convenzionale, le cellule si muovono o verso le regioni
di campo elettrico più intenso e tipicamente si raccolgono ai bordi degli elettrodi, o verso
regioni di campo lontano dagli elettrodi. Inoltre la componente verticale della forza
dielettroforetica può essere usata per tenere sospese le cellule opponendola alla forza di
gravità. In tal modo la definizione esatta dei parametri fisici ed elettrici più importanti, quali
la frequenza dei campi applicati, ha consentito la messa a punto di nuove strategie per un
controllo accurato del movimento delle bioparticelle. E’ stato dimostrato che segnali di
frequenze diverse e/o di valori diversi
applicati indipendentemente agli elettrodi
costituiscono parametri di controllo utilissimi che garantiscono una elevata flessibilità nella
manipolazione.
Fig. 1 - Traiettoria dei globuli rossi per una tensione di 30 V alla frequenza di 10 kHz.
Fig. 2 - Traiettoria dei globuli bianchi per una tensione di 30 V alla frequenza di 10 kHz
BIBLIOGRAFIA
[1] Michael Pycraft Hughes, (2003), Nanoelectromechanics in Engineering and Biology, CRC
PRESS
[2] Gascoyne P, Vykoukal J, (2002), Particle separation by dielectrophoresis. Electrophoresis
23, pp. 1973–1983
