Microfluidica: Hvernig geta örvökvi flýtt fyrir COVID19 bóluefni?

Di Fouad Sabry

Cos'è la microfluidica

La microfluidica si riferisce al comportamento, al controllo preciso e alla manipolazione di fluidi che sono geometricamente vincolati a una piccola scala in cui le forze superficiali dominano le forze volumetriche. È un campo multidisciplinare che coinvolge ingegneria, fisica, chimica, biochimica, nanotecnologia e biotecnologia. Ha applicazioni pratiche nella progettazione di sistemi che elaborano bassi volumi di fluidi per ottenere multiplexing, automazione e screening ad alta produttività. La microfluidica è emersa all'inizio degli anni '80 ed è utilizzata nello sviluppo di testine di stampa a getto d'inchiostro, chip DNA, tecnologia lab-on-a-chip, micropropulsione e tecnologie microtermiche.

Come ne trarrai vantaggio

(I) Approfondimenti e convalide sui seguenti argomenti:

Capitolo 1: Microfluidica

Capitolo 2: Microfluidica basata su goccioline

Capitolo 3: Microfluidica digitale

Capitolo 4: Microfluidica cartacea

Capitolo 5: Coltura cellulare microfluidica

Capitolo 6: Pompa elettroosmotica

Capitolo 7: Scienza dei materiali

(II) Rispondere alle principali domande del pubblico sulla microfluidica.

(III) Esempi del mondo reale per l'utilizzo della microfluidica in molti campi.

(IV) 17 appendici per spiegare, brevemente, 266 tecnologie emergenti in ogni settore per avere una piena comprensione a 360 gradi delle tecnologie della microfluidica.

Per chi è questo libro

Professionisti, studenti universitari e laureati, appassionati, hobbisti e coloro che vogliono andare oltre le conoscenze o le informazioni di base per qualsiasi tipo di microfluidica.

• Lingua: Italiano
• Editore: Un Miliardo Di Ben Informato [Italian]
• Data di uscita: 27 gen 2022

Anteprima del libro

Altri libri dell'autore

1 - Propulsione al plasma

2 - Motore a detonazione a impulsi

3 - Robotica Agraria

4 - Sistemi Ecologici Chiusi

5 - Carni Coltivate

6 - Agricoltura Verticale

7 - Veicoli autonomi

8 - Droni autonomi

9 - Robotica autonoma

10 - Armi autonome

11 - Arcologia

12 - Stampa 4D

13 - Città a cupola

14 - Libro mastro distribuito

15 - Valuta digitale

16 - Finanza decentralizzata

17 - Macchine intelligenti

18 - Aerogel

19 - Metallo amorfo

20 - Bioplastica

21 - Polimero conduttivo

22 - Trattamento Criogenico

23 - Armatura dinamica

24 - Fullerene

25 - Grafene

26 - Laboratorio su un chip

27 - Superconduttività ad alta temperatura

28 - Nanoparticelle magnetiche

29 - Fluido magnetoreologico

30 - Microfluidica

31 - Superfluidità

32 - Metamateriale

33 - Schiuma metallica

34 - Struttura multifunzione

35 - Nanomateriali

36 - Materia programmabile

37 - Punto quantico

38 - Silicene

39 - Superlega

40 - Diamante sintetico

41 - Cristallo del Tempo

42 - Calcestruzzo traslucido

43 - Interfaccia Computer Cerebrale

44 - Intelligenza dello sciame

Serie dell'Autore

Tecnologie emergenti nel settore aerospaziale

1 - Propulsione al plasma

2 - Motore a detonazione a impulsi

Tecnologie emergenti in agricoltura

1 - Robotica Agraria

2 - Sistemi Ecologici Chiusi

3 - Carni Coltivate

4 - Agricoltura Verticale

Tecnologie emergenti nelle cose autonome

1 - Veicoli autonomi

2 - Droni autonomi

3 - Robotica autonoma

4 - Armi autonome

Tecnologie emergenti nell'edilizia

1 - Arcologia

2 - Stampa 4D

3 - Città a cupola

Tecnologie emergenti in finanza

1 - Libro mastro distribuito

2 - Valuta digitale

3 - Finanza decentralizzata

Tecnologie emergenti nell'Information Technology

1 - Macchine intelligenti

Tecnologie emergenti nella scienza dei materiali

1 - Aerogel

2 - Metallo amorfo

3 - Bioplastica

4 - Polimero conduttivo

5 - Trattamento Criogenico

6 - Armatura dinamica

7 - Fullerene

8 - Grafene

9 - Laboratorio su un chip

10 - Superconduttività ad alta temperatura

11 - Nanoparticelle magnetiche

12 - Fluido magnetoreologico

13 - Microfluidica

14 - Superfluidità

15 - Metamateriale

16 - Schiuma metallica

17 - Struttura multifunzione

18 - Nanomateriali

19 - Materia programmabile

20 - Punto quantico

21 - Silicene

22 - Superlega

23 - Diamante sintetico

24 - Cristallo del Tempo

25 - Calcestruzzo traslucido

Tecnologie emergenti nelle neuroscienze

1 - Interfaccia Computer Cerebrale

Tecnologie emergenti nella robotica

1 - Intelligenza dello sciame

Un miliardo di esperti

Microfluidica

In che modo la microfluidica può accelerare il vaccino COVID19?

Fouad Sabry

Diritto d’autore

Microfluidica Copyright © 2021 di Fouad Sabry. Tutti i diritti riservati.

Tutti i diritti riservati. Nessuna parte di questo libro può essere riprodotta in qualsiasi forma o con qualsiasi mezzo elettronico o meccanico, compresi i sistemi di archiviazione e recupero delle informazioni, senza il permesso scritto dell'autore. L'unica eccezione è da parte di un revisore, che può citare brevi estratti in una recensione.

Copertina disegnata da Fouad Sabry.

Questo libro è un'opera di finzione. Nomi, personaggi, luoghi e incidenti sono prodotti dell'immaginazione dell'autore o sono usati fittiziamente. Qualsiasi somiglianza con persone reali, vive o morte, eventi o luoghi è del tutto casuale.

Bonus

Puoi inviare un'e-mail a [e-mail] con oggetto Microfluidica: come può la microfluidica accelerare il vaccino COVID19?, e riceverai un'e-mail che contiene i primi capitoli di questo libro.

Fouad Sabry

Visita il sito web di 1BK all'indirizzo

www.1BKOfficial.org

Prefazione

Perché ho scritto questo libro?

La storia della scrittura di questo libro è iniziata nel 1989, quando ero uno studente della Scuola Secondaria degli Studenti Avanzati.

È notevolmente simile alle scuole STEM (Scienza, Tecnologia, Ingegneria e Matematica), che sono ora disponibili in molti paesi avanzati.

STEM è un curriculum basato sull'idea di educare gli studenti in quattro discipline specifiche - scienza, tecnologia, ingegneria e matematica - in un approccio interdisciplinare e applicato. Questo termine è in genere usato per affrontare una politica educativa o una scelta di curriculum nelle scuole. Ha implicazioni per lo sviluppo della forza lavoro, le preoccupazioni per la sicurezza nazionale e la politica di immigrazione.

C'era una lezione settimanale in biblioteca, dove ogni studente è libero di scegliere qualsiasi libro e leggere per 1 ora. L'obiettivo della classe è quello di incoraggiare gli studenti a leggere materie diverse dal curriculum educativo.

In biblioteca, mentre guardavo i libri sugli scaffali, ho notato libri enormi, per un totale di 5.000 pagine in 5 parti. Il nome del libro è The Encyclopedia of Technology, che descrive tutto ciò che ci circonda,f rom zero assoluto ai semiconduttori, quasi ogni tecnologia, a quel tempo, è stata spiegata con illustrazioni colorate e parole semplici. Ho iniziato a leggere l'enciclopedia e, naturalmente, non sono stato in grado di finirla nella lezione settimanale di 1 ora.

Così, ho convinto mio padre a comprare l'enciclopedia. Mio padre ha comprato tutti gli strumenti tecnologici per me all'inizio della mia vita, il primo computer e la prima enciclopedia tecnologica, ed entrambi hanno un grande impatto su di me e sulla mia carriera.

Ho finito l'intera enciclopedia nelle stesse vacanze estive di quest'anno, e poi ho iniziato a vedere come funziona l'universo e come applicare quella conoscenza ai problemi quotidiani.

La mia passione per la tecnologia è iniziata più di 30 anni fa e ancora il viaggio continua.

Questo libro fa parte di The Encyclopedia of Emerging Technologies che è il mio tentativo di dare ai lettori la stessa straordinaria esperienza che ho avuto quando ero al liceo, ma invece delle tecnologie del²⁰ ° secolo, sono più interessatoalle tecnologie emergenti del 21° secolo, alle applicazioni e alle soluzioni industriali.

The Encyclopedia of Emerging Technologies sarà composta da 365 libri, ogni libro sarà incentrato su una singola tecnologia emergente. Puoi leggere l'elenco delle tecnologie emergenti e la loro categorizzazione per settore nella parte di Coming Soon, alla fine del libro.

365 libri per dare ai lettori la possibilità di aumentare le loro conoscenze su una singola tecnologia emergente ogni giorno nel corso di un anno.

Introduzione

Come ho scritto questo libro?

In ogni libro di The Encyclopedia of Emerging Technologies, sto cercando di ottenere intuizioni di ricerca istantanee e grezze, direttamente dalle menti delle persone, cercando di rispondere alle loro domande sulla tecnologia emergente.

Ci sono 3 miliardi di ricerche su Google ogni giorno e il 20% di queste non è mai stato visto prima. Sono come una linea diretta con i pensieri della gente.

A volte è Come faccio a rimuovere l'inceppamento della carta. Altre volte, sono le paure strazianti e le brame segrete che oserebbero solo condividere con Google.

Nella mia ricerca di scoprire una miniera d'oro non sfruttata di idee di contenuto su Microfluidica, uso molti strumenti per ascoltare i dati di completamento automatico dai motori di ricerca come Google, quindi estraggo rapidamente ogni frase e domanda utile, le persone stanno chiedendo intorno alla parola chiave Microfluidica.

È una miniera d'oro di intuizioni delle persone, che posso usare per creare contenuti, prodotti e servizi freschi e ultra-utili. Le persone gentili, come te, vogliono davvero.

Le ricerche di persone sono il set di dati più importante mai raccolto sulla psiche umana. Pertanto, questo libro è un prodotto live, e costantemente aggiornato da sempre più risposte a nuove domande sulla Microfluidica, poste da persone, proprio come te e me, che si interrogano su questa nuova tecnologia emergente e vorrebbero saperne di più su di essa.

L'approccio per scrivere questo libro è quello di ottenere un livello più profondo di comprensione di come le persone cercano intorno a Microfluidica, rivelando domande e domande che non penserei necessariamente dalla cima della mia testa, e rispondendo a queste domande in parole super facili e digeribili, e per navigare nel libro in modo semplice.

Quindi, quando si tratta di scrivere questo libro, mi sono assicurato che sia il più ottimizzato e mirato possibile. Lo scopo di questo libro è aiutare le persone a comprendere e far crescere ulteriormente le loro conoscenze sulla Microfluidica. Sto cercando di rispondere alle domande delle persone il più vicino possibile e mostrando molto di più.

È un modo fantastico e bello per esplorare domande e problemi che i popoli hanno e rispondere direttamente, e aggiungere intuizione, convalida e creatività al contenuto del libro - anche presentazioni e proposte. Il libro scopre aree ricche, meno affollate e talvolta sorprendenti della domanda di ricerca che altrimenti non raggiungerei. Non c'è dubbio che, si prevede di aumentare la conoscenza delle menti dei potenziali lettori, dopo aver letto il libro utilizzando questo approccio.

Ho applicato un approccio unico per rendere il contenuto di questo libro sempre fresco. Questo approccio dipende dall'ascolto delle menti delle persone, utilizzando gli strumenti di ascolto della ricerca. Questo approccio mi ha aiutato a:

Incontra i lettori esattamente dove si trovano, in modo da poter creare contenuti pertinenti che colpiscano un accordo e portino a una maggiore comprensione dell'argomento.

Tieni il dito saldamente sul polso, in modo da poter ricevere aggiornamenti quando le persone parlano di questa tecnologia emergente in modi nuovi e monitorare le tendenze nel tempo.

Scopri tesori nascosti di domande hai bisogno di risposte sulla tecnologia emergente per scoprire intuizioni inaspettate e nicchie nascoste che aumentano la pertinenza del contenuto e gli danno un vantaggio vincente.

Smetti di perdere tempo in gutfeel e congetture sul contenuto desiderato dai lettori e riempi il contenuto del libro con ciò di cui le persone hanno bisogno e dì addio alle infinite idee di contenuto basate su speculazioni.

Prendi decisioni solide e prendi meno rischi, per ottenere posti in prima fila su ciò che le persone vogliono leggere e vogliono sapere - in tempo reale - e utilizzare i dati di ricerca per prendere decisioni audaci, su quali argomenti includere e quali argomenti escludere.

Semplifica la produzione dei miei contenuti per identificare le idee di contenuto senza dover setacciare manualmente le singole opinioni per risparmiare giorni e persino settimane di tempo.

È meraviglioso aiutare le persone ad aumentare le loro conoscenze in modo diretto semplicemente rispondendo alle loro domande.

Penso che l'approccio di scrittura di questo libro sia unico in quanto raccoglie e tiene traccia delle domande importanti poste dai lettori sui motori di ricerca.

Riconoscimenti

Scrivere un libro è più difficile di quanto pensassi e più gratificante di quanto avrei mai potuto immaginare. Niente di tutto questo sarebbe stato possibile senza il lavoro svolto da prestigiosi ricercatori, e vorrei riconoscere i loro sforzi per aumentare la conoscenza del pubblico su questa tecnologia emergente.

Dedica

Per gli illuminati, quelli che vedono le cose in modo diverso, e vogliono che il mondo sia migliore - non amano lo status quo o lo stato esistente. Puoi essere troppo in disaccordo con loro, e puoi discutere con loro ancora di più, ma non puoi ignorarli, e non puoi sottovalutarli, perché cambiano sempre le cose ... spingono la razza umana in avanti, e mentre alcuni possono vederli come pazzi o dilettanti, altri vedono genio e innovatori, perché quelli che sono abbastanza illuminati da pensare di poter cambiare il mondo, sono quelli che lo fanno, e conducono le persone all'illuminazione.

Epigrafe

La microfluidica si riferisce al comportamento, al controllo preciso e alla manipolazione di fluidi che sono geometricamente vincolati a una piccola scala in cui le forze superficiali dominano le forze volumetriche. È un campo multidisciplinare che coinvolge ingegneria, fisica, chimica, biochimica, nanotecnologia e biotecnologia. Ha applicazioni pratiche nella progettazione di sistemi che elaborano bassi volumi di fluidi per ottenere multiplexing, automazione e screening ad alta produttività. La microfluidica è emersa all'inizio degli anni 1980 ed è utilizzata nello sviluppo di testine di stampa a getto d'inchiostro, chip di DNA, tecnologia lab-on-a-chip, micro-propulsione e tecnologie micro-termiche.

Sommario

Microfluidica

Altri libri dell'autore

Serie dell'Autore

Microfluidica

Diritto d’autore

Bonus

Prefazione

Introduzione

Riconoscimenti

Dedica

Epigrafe

Sommario

Capitolo 1: Microfluidica

Capitolo 2: Microfluidica a base di goccioline

Capitolo 3: Microfluidica digitale

Capitolo 4: Microfluidica cartacea

Capitolo 5: Coltura cellulare microfluidica

Capitolo 6: Pompa elettroosmotica

Capitolo 7: Scienza dei materiali

Epilogo

Informazioni sull'autore

Prossimamente

Appendici: Tecnologie emergenti in ogni settore

Capitolo 1: Microfluidica

La microfluidica è lo studio, il controllo di precisione e la manipolazione di fluidi che sono geometricamente limitati a una piccola scala (di solito sub-millimetrica), in cui le forze superficiali superano le forze volumetriche. Ingegneria, fisica, chimica, biochimica, nanotecnologia e biotecnologia sono tutti coinvolti in questo campo multidisciplinare. È utile nella progettazione di sistemi che elaborano piccole quantità di fluidi per ottenere multiplexing, automazione e screening ad alta produttività. La microfluidica è apparsa per la prima volta nei primi anni 1980 ed è ora impiegata nella creazione di testine di stampa a getto d'inchiostro, chip di DNA, tecnologia lab-on-a-chip, micro-propulsione e tecnologie microtermiche.

In genere, micro indica una delle seguenti caratteristiche:

Piccoli volumi (μL, nL, pL, fL)

Dimensioni ridotte

Basso consumo energetico

Effetti del microdominio

I sistemi microfluidici spesso trasferiscono, mescolano, segregano o altrimenti elaborano fluidi. Varie applicazioni si basano su dispositivi di modifica del flusso capillare, come resistori di flusso e acceleratori di flusso, per modulare passivamente il flusso del fluido. Le tecniche di attuazione esterna sono utilizzate anche in alcune applicazioni per il movimento diretto dei media. Gli esempi includono motori rotativi che utilizzano forze centrifughe per spostare fluidi su chip passivi. La manipolazione del fluido di lavoro da parte di componenti attivi (micro) come micropompe o microvalvole è indicata come microfluidica attiva. Le micropompe vengono utilizzate per fornire continuamente fluidi o per il dosaggio. La direzione del flusso o la modalità di movimento dei liquidi pompati è determinata dalle microvalvole. I processi che normalmente verrebbero eseguiti in un laboratorio sono spesso miniaturizzati su un singolo chip, aumentando l'efficienza e la mobilità e diminuendo le quantità di campioni e reagenti.

Comportamento su microscala dei fluidi

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Dispositivi microfluidici in gomma siliconica e vetro. In alto: una fotografia dei dispositivi. In basso: micrografie a contrasto di fase di un canale serpentino largo ~15 μm.

Il comportamento del fluido su microscala differisce dal comportamento macrofluidico in quanto latensione superficiale, la dissipazione di energia e la resistenza fluidica iniziano a dominare il sistema. Microfluidica indaga su come questi comportamenti cambiano e su come potrebbero essere evitati o utilizzati per nuove applicazioni.

Alcune caratteristiche affascinanti e talvolta inaspettate emergono su piccola scala (dimensioni dei canali che vanno da 100 nanometri a 500 micrometri). Il numero di Reynolds (che confronta l'effetto della quantità di moto di un fluido con l'effetto della viscosità) in particolare può raggiungere un livello estremamente basso. Quando il flusso diventa laminare piuttosto che turbolento, i fluidi co-fluenti non si mescolano necessariamente nel senso usuale; il trasferimento di molecole tra di loro deve spesso avvenire attraverso la diffusione.

Nelle reazioni a fase singola e multipla, può anche essere garantita una grande specificità dei parametri chimici e fisici (concentrazione, pH, temperatura, forza di taglio, ecc.), con conseguenti condizioni di reazione più uniformi e prodotti di qualità superiore.

Vari tipi di flussi microfluidici

I flussi microfluidici devono essere limitati solo dalla scala geometrica della lunghezza - le modalità e i metodi utilizzati per ottenere un tale vincolo geometrico dipendono fortemente dall'applicazione mirata. Tradizionalmente, i flussi microfluidici sono stati generati all'interno di canali chiusi con la sezione trasversale del canale nell'ordine di 10 μm x 10 μm. Ognuno di questi metodi ha le proprie tecniche associate per mantenere un flusso di fluido robusto che è maturato nel corso di diversi anni.

Microfluidica aperta

Intorno al 2005, il comportamento e il controllo dei fluidi nei microcanali aperti sono stati introdotti e applicati nella raccolta di campioni aria-liquido e nella cromatografia. La microfluidica aperta comporta la rimozione di almeno un limite di sistema, esponendo il fluido all'aria o ad un'altra interfaccia(cioè liquido). I vantaggi della microfluidica aperta includono un facile accesso al liquido che scorre per l'intervento, una maggiore superficie liquido-gas e una minore formazione di bolle. Un altro vantaggio della microfluidica aperta è la capacità di integrare sistemi aperti con il flusso di fluido guidato dalla tensione superficiale, eliminando la necessità di metodi di pompaggio esterni come pompe peristaltiche o a siringa. La fresatura, la termoformatura e la goffratura a caldo rendono i dispositivi microfluidici aperti semplici ed economici da realizzare. Inoltre, la microfluidica aperta elimina la necessità di incollare o incollare un coperchio del dispositivo, che potrebbe essere dannoso per i flussi capillari. Esempi di microfluidica aperta includono microfluidica a canale aperto, microfluidica su rotaia, microfluidica a base di carta e microfluidica a base di thread. Gli svantaggi dei sistemi aperti includono evaporazione, contaminazione e una portata limitata.

Microfluidica a flusso continuo

La microfluidica a flusso continuo si basa sul controllo di un flusso liquido allo stato stazionario attraverso canali stretti o mezzi porosi, principalmente accelerando o inibendo il flusso del fluido negli elementi capillari. I componenti capillari possono essere creati in microfluidica a base di carta semplicemente modificando la geometria della sezione. In generale, fonti di pressione esterne, pompe meccaniche esterne, micropompe meccaniche integrate o combinazioni di forze capillari e meccanismi elettrocinetici vengono utilizzate per controllare il flusso di liquidi. La tecnica principale è il funzionamento microfluidico a flusso continuo poiché è semplice da implementare e meno suscettibile ai problemi di incrostazione delle proteine. I dispositivi a flusso continuo sono adeguati per molte applicazioni biochimiche ben definite e semplici, nonché per alcune attività come la separazione chimica, ma sono meno appropriati per compiti che richiedono un alto grado di flessibilità o manipolazioni dei fluidi. Poiché i parametri che governano il campo di flusso variano lungo il percorso del flusso, il flusso del fluido in qualsiasi posizione dipende dalle proprietà dell'intero sistema, questi sistemi a canale chiuso sono intrinsecamente difficili da integrare e scalare. Anche le microstrutture incise in modo permanente sono limitate nella riconfigurabilità e nella tolleranza ai guasti. Negli ultimi anni, sono stati proposti approcci di automazione della progettazione assistita da computer per la microfluidica a flusso continuo per ridurre lo sforzo di progettazione e risolvere i problemi di scalabilità.

sensore micro fluido

Le capacità di monitoraggio dei processi nei sistemi a flusso continuo possono essere ottenute utilizzando sensori di flusso microfluidici molto sensibili basati sulla tecnologia MEMS con risoluzioni basse come la gamma di nanolitri.

Microfluidica a base di goccioline

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La creazione di pizzicamenti di microbolle in un dispositivo microfluidico a focalizzazione del flusso è raffigurata in un filmato ad alta frequenza di fotogrammi.

La microfluidica a base di goccioline è una sottocategoria della microfluidica in contrasto con la microfluidica continua; la microfluidica a base di goccioline manipola volumi discreti di fluidi in fasi immiscibili con basso numero di Reynolds e regimi di flusso laminare. L'interesse per i sistemi di microfluidica a base di goccioline è cresciuto notevolmente negli ultimi decenni. Le microgoccioline consentono di gestire comodamente volumi miniaturizzati (da μl a fl) di fluidi, forniscono una migliore miscelazione, incapsulamento, smistamento e rilevamento e si adattano a esperimenti ad alta produttività. Sfruttare i vantaggi della microfluidica basata sulle goccioline in modo efficiente richiede una profonda conoscenza della generazione di goccioline per eseguire varie operazioni logiche come la manipolazione delle goccioline, lo smistamento delle goccioline, la fusione delle goccioline e la rottura delle goccioline.

Microfluidica digitale

Nuove strutture aperte che manipolano goccioline discrete e controllate individualmente su un substrato utilizzando l'elettrobagnatura sono alternative ai suddetti sistemi a flusso continuo a canale chiuso. Questo metodo è noto come microfluidica digitale, dopo l'analogia con la microelettronica digitale. L'uso di forze elettrocapillari per spostare le goccioline su una traccia digitale è stato sperimentato da Le Pesant et al. Anche il pionieristico transistor fluido di Cytonix ha avuto un impatto. La Duke University ha continuato a commercializzare la tecnica. Una funzione microfluidica può essere semplificata in una raccolta di azioni di base ripetute, come il trasporto di un'unità di fluido attraverso un'unità di distanza, utilizzando goccioline discrete di volume unitario. Questometodo di