Lab-on-a-chip (LOC) è un termine per un dispositivo che integra funzioni multiple che si possono svolgere inlaboratorio in un singolochip che va da pochimillimetri a qualchecentimetroquadrato di grandezza ed è capace di trattare volumi difluidi estremamente piccoli, sotto ipicolitri. I dispositiviLab-on-a-chip sono un sottogruppo dei dispositiviMEMS (dall'ingleseMicro Electro Mechanical Systems) e spesso indicati anche comeMicro Total Analysis Systems (µTAS). Microfluidica è un termine generale che descrive anche dispositivi di controllo dimeccanica dei fluidi comepompe evalvole osensori comeflussometri eviscosimetri. Tuttavia, con il termine "Lab-on-a-Chip" si indica generalmente la misurazione di un singolo o un multiplo processo di laboratorio con un semplicechip, mentre "µTAS" si dedica all'integrazione di tutte le sequenze di processi di laboratorio per fareanalisi chimiche. Il termine "Lab-on-a-chip" fu introdotto più tardi quando si dimostrò che era possibile applicare le tecnologie µTAS in maniera più ampia che per soli scopi di analisi.
Dopo la scoperta della microtecnologia (1958) per realizzare strutture integrate disemiconduttori perchip microelettronici, queste tecnologie basate sulla tecnologialitografica elettronica furono presto applicate neisensori di pressione nel campo manifatturiero. Nuovi sviluppi di queste tecnologie, una scatola di strumenti divenne disponibile per creare strutture meccaniche insilicio nell'ordine di grandezza deimicrometri o ancor più piccole: l'era deiMicro Electro Mechanical Systems (MEMS) era cominciata.
I dispositivi di trattamento dei fluidi furono sviluppati dopo i sensori di pressione e altre strutture meccaniche mobili. Esempi: canali (collegamenti capillari),miscelatori, valvole, pompe e dispositivi dosatori. Il primo sistema di analisi su tecnologiaLab-on-a-chip fu ungas-cromatografo, sviluppato nel1975 da S.C. Terry allaStanford University. Tuttavia, solo alla fine degli anni ottanta e all'inizio degli anni novanta, la ricerca suiLab-on-a-chip iniziò a crescere seriamente grazie a qualche gruppo di ricercatori sviluppò micropompe, sensori di flusso e il concetto del trattamento integrato dei fluidi per i sistemi di analisi. Questi concetti µTAS dimostrarono che l'integrazione dei passi di pretrattamento, normalmente fatti in laboratorio, avrebbe potuto estendere le semplici funzionalità dei sensori fino ad analisi complete di laboratorio, includendo passi addizionali di pulizia e separazione.
Una grande spinta nella ricerca e negli interessi commerciali arrivò nella metà del 1990, quando le tecnologie µTAS riuscivano a provvedere strumenti interessanti per le applicazionigenomiche, come l'elettroforesi capillare e ilDNAmicroarray. Un contributo all'impulso della ricerca venne anche dalle forze armate, specialmente dalDARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), per il loro interesse nei sistemi portatili di rilevamento di agenti bio-chimici durante le guerre. Il valore aggiunto non era solo limitato all'integrazione di processi di laboratorio per le analisi ma anche per le possibilità di applicare elementi individuali ad altri processi (non-analysis).
Tuttavia l'applicazione di LOCs è ancora nuova e umile, un interesse crescente di compagnie e gruppi di ricerca applicati è osservato in campi differenti come analisi (analisi chimiche, monitoraggio dell'ambiente,diagnosi mediche ecellomics[1]), ma anche in chimica sintetica (test rapidi e microreattori per lafarmaceutica). A parte ulteriori sviluppi di applicazioni, si pensa che la ricerca nei sistemi LOC possa espandersi fino a ridurre le strutture di trattamento dei fluidi usando lananotecnologia. Nano-canali, labirinti di DNA, rilevamento delle singole cellule e nano sensori possono essere fattibili e dare la possibilità a nuovi tipi di interazione con le specie biologiche e le grandi molecole. Un esempio di successo per i LOCs nelle scienze della vita è lo sviluppo diautomated patch clamp chips[2], che danno la possibilità di incrementare drasticamente i risultati per i test sui farmaci nelle industrie di questo settore.
La base per la maggior parte dei processi di fabbricazione dei LOC è la litografia. Inizialmente la maggior parte dei processi erano in silicio, dato che queste tecnologie ben sviluppate erano direttamente derivate dallafabbricazione dei semiconduttori. Data la richiesta di caratteristiche ottiche specifiche,biocompatibili o chimico compatibili, minori costi di produzione e più veloce fase di prototipazione, nuovi processi sono stati sviluppati come incisione delvetro,ceramica emetallo,deposition ebonding, processi PDMS (polidimetilsilossano),thick-film estereolitografia allo stesso modo di metodi di replicazione veloce viaelectroplating[3],injection molding (formatura) eembossing (stampaggio). Per di più il campo dei LOC supera sempre più i confini tra la tecnologia dei microsistemi basati sulla litografia, nanotecnologia e ingegneria di precisione.
Un dispositivo LOC può provvedere vantaggi, molto specifici per le loro applicazioni. Tipici vantaggi sono:
Gli svantaggi associati ai dispositiviLab-on-a-chip sono:
Esempi di utilizzo dei dispositiviLab-on-a-chip sono:
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