Fabbricazione dei microdispositivi: il PDMS e la soft lithography

Dietro ogni lab-on-chip c’è una tecnologia di fabbricazione che decide costo, prestazioni e diffusione del dispositivo. Per la prototipazione e la ricerca, il materiale dominante è un elastomero trasparente e flessibile: il PDMS. La tecnica che lo accompagna, la soft lithography, ha reso possibile a chiunque, in un laboratorio attrezzato, costruire microcanali in poche ore.

Vediamo come si fabbricano i microdispositivi, che cos’è la soft lithography, perché il PDMS è così usato, quali sono i suoi limiti e quali materiali alternativi esistono.

Come si fabbrica un microcanale

Realizzare un lab-on-chip significa incidere o stampare microcanali in un materiale solido con precisione micrometrica. Le tecniche disponibili sono molte e provengono in gran parte dalla microelettronica: fotolitografia, attacco chimico (umido o al plasma), microlavorazione, stampaggio a caldo, stampaggio a iniezione, ablazione laser. La scelta dipende dal materiale e dall’applicazione: vetro e silicio per i dispositivi più esigenti, i polimeri per soluzioni economiche e usa-e-getta.

La soft lithography

La tecnica che ha aperto la microfluidica ai polimeri è la soft lithography, sviluppata negli anni Ottanta. Il principio è semplice ed elegante: prima si crea, con la fotolitografia, uno stampo (master) che porta in rilievo il disegno dei canali; poi vi si cola sopra un polimero liquido, lo si fa indurire e infine lo si stacca, ottenendo una replica con i canali impressi. È un processo di colata (casting), rapido ed economico, perfetto per la prototipazione: da un solo stampo si ricavano molte copie.

stampo (fotolitografia) → colata del polimero → indurimento → distacco della replica con i canali

Il PDMS: pregi

Il materiale per eccellenza della soft lithography è il PDMS (polidimetilsilossano), un elastomero siliconico con un insieme di proprietà molto favorevoli: è flessibile, economico e otticamente trasparente, il che consente la rivelazione ottica attraverso il materiale stesso. La sua flessibilità permette di integrare facilmente microvalvole che si aprono e chiudono per deformazione, indispensabili per controllare i flussi. Inoltre il PDMS è permeabile ai gas: lascia passare ossigeno e anidride carbonica, una qualità preziosa per gli studi su cellule vive, che hanno bisogno di respirare.

Il PDMS: limiti

Le stesse proprietà che lo rendono ideale in ricerca lo penalizzano nella produzione industriale. Il PDMS assorbe le molecole idrofobe, e questo può sottrarre analiti o reagenti dal campione, falsando l’analisi. È soggetto a invecchiamento, cioè le sue proprietà cambiano nel tempo. È difficile integrarvi elettrodi, il che ne limita gli usi che richiedono contatti elettrici. E soprattutto non è compatibile con i processi di fabbricazione ad alto volume come lo stampaggio a iniezione o a caldo. Per queste ragioni resta soprattutto un materiale da prototipo e da ricerca, non da grande serie.

I materiali alternativi

Accanto al PDMS si usano altri materiali, ciascuno con un suo equilibrio fra costo e prestazioni.

Perché conta nella pratica

La scelta del materiale e della tecnica di fabbricazione non è un dettaglio: determina che cosa il chip può e non può fare. Sapere che il PDMS assorbe le molecole idrofobe, o che è permeabile ai gas, spiega anomalie sperimentali altrimenti incomprensibili; capire che la soft lithography è perfetta per il prototipo ma non per la grande serie orienta le aspettative su industrializzazione e costi. Per chiunque valuti o usi un microdispositivo, conoscere queste basi di fabbricazione è tanto importante quanto conoscere il metodo analitico.

Domande frequenti

Come si fabbricano i microcanali di un lab-on-chip?

Con tecniche di microfabbricazione in gran parte derivate dalla microelettronica: fotolitografia, attacco chimico umido o al plasma, microlavorazione, stampaggio a caldo o a iniezione, ablazione laser. La scelta dipende dal materiale e dall’applicazione: vetro e silicio per i dispositivi più esigenti, polimeri come il PDMS o i termoplastici per soluzioni economiche e di prototipazione.

Che cos’è la soft lithography?

È una tecnica di microfabbricazione che replica un disegno di canali colando un polimero elastomerico su uno stampo ottenuto per fotolitografia: si fa indurire il polimero e lo si stacca, ottenendo una replica con i canali impressi. È rapida ed economica e, da un solo stampo, permette di ricavare molte copie: per questo è il metodo di riferimento per la prototipazione dei dispositivi microfluidici.

Perché il PDMS è così usato in microfluidica?

Perché è un elastomero economico, flessibile e otticamente trasparente, che consente la rivelazione ottica attraverso il materiale. La sua flessibilità permette di integrare facilmente microvalvole per il controllo dei flussi, e la sua permeabilità ai gas lo rende adatto alla coltura di cellule vive sul chip. È il materiale ideale per la ricerca e la prototipazione rapida.

Quali sono i limiti del PDMS?

Assorbe le molecole idrofobe, sottraendo analiti o reagenti dal campione; invecchia, cambiando proprietà nel tempo; è difficile integrarvi elettrodi; e non è compatibile con i processi di produzione ad alto volume come lo stampaggio a iniezione o a caldo. Per queste ragioni resta soprattutto un materiale da prototipo e da laboratorio, poco adatto alla grande serie industriale.

Quali materiali si usano oltre al PDMS?

I termoplastici, trasparenti e chimicamente più inerti del PDMS e adatti alla produzione di massa, anche se più costosi da implementare; il vetro, inerte e con ottime proprietà ottiche ed elettriche ma con fabbricazione più complessa; e la carta, economica e smaltibile, che muove il campione per capillarità ma offre un controllo del flusso limitato. La scelta bilancia costo, prestazioni e volumi di produzione.