La microfluidica e le bolle

Un problema fondamentale, di cui tenere conto, quando si progetta un circuito microfluidico è la formazione delle bolle.

Nelle applicazioni Lab-On-Chip, con dispositivi automatici, è fondamentale comprendere i motivi per cui  si formano le bolle e quali siano gli accorgimenti da adottare per evitarne la formazione, oppure per eliminarle una volta create. In un circuito chiuso occorre innanzitutto comprendere quali siano:

·       Le geometrie utilizzate;

·       Le pressioni di lavoro.

Per quanto riguarda le geometrie utilizzate, è bene tenere in conto che variazioni repentine di sezione, portano alla formazione di bolle nella singolarità. L’aria tende anche ad intrappolarsi negli spigoli vivi del circuito e nei microcanali ciechi. In prossimità di connessioni idrauliche (come inlet o outlet), soprattutto se non perfettamente a tenuta, nella fase di transito del liquido è probabile la formazione di bolle. In riferimento alle pressioni di lavoro e di conseguenza le relative velocità, bisogna considerare che diminuzioni di pressione portano alla formazione di bolle, poiché i gas disciolti nel fluido aumentano la loro probabilità di aggregazione; questo fenomeno può influire sulle prestazioni dei dispositivi microfluidici, richiedendo strategie di gestione delle bolle per garantire un funzionamento ottimale dei sistemi.

Per evitare, dunque la formazione di bolle è bene quindi, progettare il circuito microfluidico con pareti raccordate, controllare bene le connessioni ed evitare che si trovino in punti critici del circuito, se non strettamente necessario. Lavorare, per quanto possibile, con piccole differenze di pressione sicuramente diminuisce la probabilità di generazione di bolle; questi metodi sopra descritti possono essere definiti metodi passivi, poiché si occupano di prevenire, piuttosto che eliminare le bolle.

Per eliminare le bolle, invece, è possibile utilizzare strumenti attivi denominati Bubble-Trap. Questi elementi sono costituiti da una membrana porosa o microstrutturata, che permette il passaggio del fluido ma intrappola le bolle in modo da separarle dal flusso principale. Nello schema è mostrato il principio di funzionamento, in alto a sinistra entra il flusso composto da una miscela liquido-gas, al centro la membrana che attua la separazione delle due fasi, in alto a destra esce il flusso liquido (privo di gas), mentre in basso al centro esce il gas. Al fine di aumentare l’efficienza nell’eliminazione delle bolle è possibile installare un piccolo sistema da vuoto che, a valle della membrana porosa aumenta la differenza di pressione tra l’interno del circuito microfluidico e l’esterno e favorisce l’eliminazione delle bolle.