3D PolyJet Printed Microfluidic Mixer

I sistemi microfluidici trovano applicazioni in vari ambiti, dalla ricerca biomedica all'industria chimica ed alimentare. In molte di queste applicazioni è indispensabile essere in grado di miscelare tra di loro due correnti fluide aventi portate molto basse, nell'ordine di alcuni microlitri al minuto. Suddetti processi richiedono l'impiego di canali di alcune decine o centinaia di micrometri, all'interno dei quali il flusso si sviluppa secondo un regime laminare caratterizzato da numeri di Reynolds non di rado inferiori all'unità. L'assenza di fenomeni di instabilità e turbolenza risulta estremamente sfavorevole alla miscelazione di due fluidi, l'unico fenomeno fisico utile a tale scopo è la diffusione, processo estremamente lento e poco efficiente. I micromiscelatori sono apparecchiature progettati per promuovere e velocizzare fenomeni diffusivi e di avvezione caotica, tali da indurre in breve tempo una rapida ed efficace miscelazione. Generalmente questi dispositivi vengono prodotti attraverso litografia (soft lithography), tecnologia che non consente di ottenere strutture completamente tridimensionali, alta produttività e point-of-care manufacturing. Un crescente interesse per la stampa 3D ha posto le basi per il suo uso in microfluidica. La stampa 3D ha le potenzialità per diventare una valida alternativa ai sistemi attualmente in uso, dal momento che permette di ottenere complesse strutture tridimensionali in un singolo step di lavorazione, notevoli volumi produttivi, bassi costi, alta flessibilità di progetto e consente la produzione direttamente all'utente finale. Il seguente lavoro di ricerca è incentrato sullo sviluppo e produzione di un micromiscelatore tramite stampa 3D. Per tale dispositivo è stata scelta una configurazione attiva, ovvero la miscelazione avviene tramite l'induzione di perturbazioni all'interno del fluido stesso generate da campi esterni. L'attuazione avviene tramite onde acustiche prodotte da un trasduttore piezoelettrico, le quali vengono sfruttare per indurre l'oscillazione di un'interfaccia aria-liquido, generalmente una bolla, che si comporta come un attuatore. L'oscillazione induce fluttuazioni di velocità e pressione nel liquido circostante la bolla stessa, effetto conosciuto come microstreaming, inducendo perturbazioni nel deflusso tali da promuovere il trasporto di massa e la miscelazione. L'interesse della ricerca è quello di produrre un dispositivo di questo genere tramite stampa 3D e verificarne le prestazioni, evidenziando i benefici e le limitazioni della tecnologia di produzione adottata. Dopo una breve sequenza introduttiva presentante le motivazioni per la seguente ricerca e l'attuale stato dell'arte, l'attenzione viene focalizzata sulla scelta della tecnologia di stampa 3D. Segue una lunga sezione sulla progettazione del micromiscelatore stesso con la presentazione dei tre modelli realizzati. Il lavoro prosegue illustrando le prove sperimentali effettuate: un parametro, il Relative Mixing Index (RMI), viene scelto per analizzare i dati raccolti e confrontare i tre miscelatori. Infine, vi è posta attenzione sui risultati ottenuti, sulle problematiche sorte durante lo sviluppo e la produzione dei componenti, sui vantaggi e gli svantaggi della tecnologia adottata. Le prove condotte hanno dimostrato come la tecnologia prescelta (PolyJet) abbia le caratteristiche necessarie per produrre semplici micromiscelatori. Si è anche dimostrato i limiti di tale tecnologia, dovuti all'estrema accuratezza e precisione necessarie in microfluidica. Il livello di miscelazione ottenuto è omogeneo e rapido, tuttavia i difetti di stampa influenzano notevolmente le prestazioni. È auspicabile che l'introduzione di stampanti e materiali di nuova generazione consentano in breve tempo di colmare il divario con i sistemi di produzione attualmente in uso: in tal caso la stampa 3D potrebbe rivoluzionare la microfluidica, rendendo i suoi dispositivi fruibili ad un ampio pubblico.