Introduzione di tecniche di comunicazione e networking in sistemi microfluidici Lidia Donvito CNIT-Unità di Ricerca di Catania

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1 Introduzione di tecniche di comunicazione e networking in sistemi microfluidici Lidia Donvito CNIT-Unità di Ricerca di Catania Responsabile scientifico del progetto Prof. Alfio lombardo RIUNIONE GTTI ANCONA, GIUNGO 2013

2 Obiettivi Dimostrare la possibilità di introdurre tecniche di comunicazione e networking nei dispositivi microfluidici rendendoli flessibili Progettare elementi di rete che implementino funzionalità quali codifica, controllo di accesso al mezzo, indirizzamento, istradamento

3 Introduzione Microfluidica studio e realizzazione di dispositivi per la manipolazione e il trasporto di piccole quantità di fluidi che fluiscono in micro-canali (fabbricati tipicamente in PDMS, con diametro dell'ordine dei micrometri) Vantaggi Lab on Chip un intero laboratorio di analisi su un chip millimetrico Compattezza, basso costo, ridotti tempi di analisi e sintesi, ridotta quantità di reagenti impiegati, portabilità Applicazioni Analisi e sintesi di molecole e specie bio-chimiche (diagnostica medica, controllo ambientale)

4 Microfluidica delle gocce Gocce (fase dispersa) che incapsulano campioni e reagenti disperse in un fluido immiscibile (fase continua) Permette la manipolazione e il controllo individuale delle gocce Evita la cross-contaminazione tra le specie chimiche Operazioni eseguibili o Generazione o Scissione o Fusione o Mixing & Reaction o Storage etc

5 Sistemi microfluidici programmabili (PMS) Per realizzare il potenziale della microfluidica occorre sviluppare sistemi microfludici programmabili per poter eseguire protocolli di analisi complessi o in parallelo. Manipolazione delle gocce Attiva Si basa sull uso di valvole o elettrodi integrati sul chip Processo di micro-fabbricazione complesso e costoso M. Prakash, N. Gershenfeld Microfluidic Bubble Logic, Science, 315(5813), 2007 Passiva Sfrutta solo forze idrodinamiche -> geometria Bubble Logic: primo tentativo di dei micro-canali realizzare un PMS passivo Processo di fabbricazione semplice e poco costoso

6 MicrOfluidic Switching (MOS) network IDEA: integrare le tecniche di Vantaggi: comunicazione e networking nei LoC Programmabilità Flessibilità Riusabilità Costo ridotto MICROFLUIDIC PACKET SYSTEM ARCHITECTURE header payload droplet droplet Pompe, attuatori Bus topology : LoC MNI Microfluidic Network Interface: switch

7 Microfluidic switch design Analogia tra la legge di Hagen-Poiseuille P = RhydQ Pressure e la legge di Ohm Flow rate drop La resistenza idrodinamica di un microcanale Rhyd rettangolare è proporzionale alla sua lunghezza. Una goccia a una biforcazione sceglie la diramazione a minore resistenza La presenza di una goccia in un canale aumenta la sua Rhyd

8 Switching droplets (1/2) L informazione di indirizzamento è codificata nella distanza tra la goccia header e la goccia payload Modulando la distanza tra gocce consecutive è possibile indirizzarle uno specifico elemento

9 Switching droplets (2/2)

10 Microfluidic switch design Circuito equivalente Per dirigere la goccia payload nel canale 1 occorre garantire che R2 < R1 R2 + RD > R1 Applicando le leggi di Kirchhoff se, Q1 Q2 R2 R1 Q R1 + R2 + Rby Il segno di Q1 Q2 dipende solo Dal segno di R2 R1 La distanza tra gocce consecutive varia nell attraversamento dei singoli MNI ( j) L (1 ) 1 DHP ( j) (i ) L + L j =1 1 2 i 1 (i ) DHP

11 Simulazioni numeriche (1/2) CASO 1: la destinazione della goccia payload è Simulatore utilizzato: open source CFD software package OpenFOAM 1 2

12 Simulazioni numeriche (2/2) CASO 2: la destinazione della goccia payload è 1 2 2

13 Verifica sperimentale (1/2)

14 Verifica sperimentale (2/2) CASO 1: goccia payload consegnata all elemento CASO 2: pacchetto microlfuidico inoltrato verso l MNI successivo

15 Controllo di accesso al mezzo Trae spunto dal Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Evita la coalescenza tra le gocce che viaggiano nel canale comune e gocce che debbano confluirvi

16 Conclusioni Si è dimostrato che è possibile integrare funzionalità di comunicazione e networking nei sistemi microfluidici passivi attraverso la progettazione e il test di componenti microfluidici che implementano tali funzionalità. In questo modo è possibile utilizzare lo stesso insieme di sistemi microfluidici per realizzare protocolli di analisi diversi anche contempotaneamente permettendo di migliorare i LoC oggi in commercio rendendoli versatili con positive ripercussioni in tutti i loro campi di applicazione, dalla diagnostica medica all'analisi chimica. Il prossimo obiettivo è l integrazione dei due dispositivi progettati (switch e MAC) allo scopo di testare il funzionamento della rete microfludica nella sua totalità.

17 Bibliografia A. Lombardo, L. Donvito, L. Galluccio, G. Morabito, Microfuidic networks: design and test of a pure hydrodynamic switching function, in: Proc. of IEEE MoNaCom A. Lombardo, L. Donvito, L. Galluccio, G. Morabito, E. De Leo, L.M. Zanoli Design and assessment of a pure hydrodynamic microfluidic switch, in: Proc. of IEEE ICC A. Lombardo, L. Galluccio, G. Morabito, E. De Leo, Networked labs-on-a-chip (NLoC): Introducing networking technologies in microfluidic systems, Nano Communication Networks, vol. 3, no. 4, 2012.

18 Grazie