miniatura|Investigadors del NIST han combinat un portaobjectes de vidre, làmines de plàstic i cinta adhesiva de doble cara per crear un dispositiu microfluídic econòmic i fàcil de construir per exposar una sèrie de cèl·lules a diferents concentracions d'una substància química. La microfluídica fa referència a un sistema que manipula una petita quantitat de fluids (de 10⁻⁹ a 10⁻¹⁸ litres) utilitzant canals petits amb mides de deu a centenars de micròmetres. És un camp multidisciplinari que inclou l'anàlisi molecular, la biologia molecular i la microelectrònica. Té aplicacions pràctiques en el disseny de sistemes que processen petits volums de fluids per aconseguir multiplexació, automatització i cribratge d'alt rendiment. La microfluídica va sorgir a principis dels anys vuitanta i s'utilitza en el desenvolupament de capçals d'impressió d'injecció de tinta, xips d'ADN, tecnologia lab-on-a-chip, micropropulsió i tecnologies microtèrmiques.
Normalment, els sistemes microfluídics transporten, barregen, separen o processen fluids. Diverses aplicacions es basen en el control passiu de fluids mitjançant forces capil·lars, en forma d'elements modificadors del flux capil·lar, similars a les resistències de flux i els acceleradors de flux. En algunes aplicacions, també s'utilitzen mitjans d'actuació externs per a un transport dirigit del medi. Exemples són els accionaments rotatius que apliquen forces centrífugues per al transport de fluids sobre els xips passius. La microfluídica activa es refereix a la manipulació definida del fluid de treball mitjançant components actius (micro) com ara microbombes o microvàlvules. Les microbombes subministren fluids de manera contínua o s'utilitzen per a la dosificació. Les microvàlvules determinen la direcció del flux o el mode de moviment dels líquids bombats. Sovint, els processos que normalment es duen a terme en un laboratori es miniaturitzen en un sol xip, cosa que millora l'eficiència i la mobilitat, i redueix els volums de mostra i reactius.
Característiques miniatura|Dispositius microfluídics de cautxú de silicona i vidre. A dalt: una fotografia dels dispositius. A baix: Micrografies de contrast de fase d'un canal serpentí d'aproximadament 15 μm d'amplada. El comportament dels fluids a microescala pot diferir del comportament "macrofluídic" en què factors com la tensió superficial, la dissipació d'energia i la resistència fluidica comencen a dominar el sistema. La microfluídica estudia com canvien aquests comportaments i com es poden solucionar o explotar per a nous usos.
A escales petites (mida del canal d'uns 100 nanòmetres a 500 micròmetres) apareixen algunes propietats poc intuïtives. En particular, el nombre de Reynolds (que compara l'efecte del moment d'un fluid amb l'efecte de la viscositat) pot arribar a ser molt baix. Una conseqüència és que els fluids que flueixen conjuntament no es barregen necessàriament en el sentit tradicional, ja que el flux esdevé laminar en lloc de turbulent; el transport molecular entre ells sovint ha de ser per difusió.
També es pot garantir una alta especificitat de les propietats químiques i físiques (concentració, pH, temperatura, força de cisallament, etc.), cosa que resulta en condicions de reacció més uniformes i productes de més qualitat en reaccions d'una sola etapa i de diverses etapes.
Tipus de flux Els fluxos microfluídics només necessiten estar restringits per una escala de longitud geomètrica: les modalitats i els mètodes utilitzats per aconseguir aquesta restricció geomètrica depenen en gran manera de l'aplicació a la qual es dirigeixi. Tradicionalment, els fluxos microfluídics s'han generat dins de canals tancats amb una secció transversal del canal de l'ordre de 10 μm x 10 μm. Cadascun d'aquests mètodes té les seves pròpies tècniques associades per mantenir un flux de fluids robust, que han madurat al llarg de diversos anys.
Microcanals oberts El comportament dels fluids i el seu control en microcanals oberts es va centrar al voltant del 2005 i es va aplicar en la recollida de mostres aire-líquid i la cromatografia. En la microfluídica oberta, s'elimina almenys un límit del sistema, exposant el fluid a l'aire o a una altra interfície (és a dir, al líquid). Els avantatges de la microfluídica oberta inclouen l'accessibilitat al líquid que flueix per a la intervenció, una superfície líquid-gas més gran i una formació de bombolles minimitzada. Un altre avantatge de la microfluídica oberta és la capacitat d'integrar sistemes oberts amb flux de fluid impulsat per tensió superficial, cosa que elimina la necessitat de mètodes de bombament externs com ara bombes peristàltiques o de xeringa. Els dispositius microfluídics oberts també són fàcils i econòmics de fabricar mitjançant fresat, termoconformat i gofrat en calent. A més, la microfluídica oberta elimina la necessitat d'enganxar o unir una coberta per als dispositius, cosa que podria ser perjudicial per als fluxos capil·lars. Exemples de microfluídica oberta inclouen la microfluídica de canal obert, la microfluídica basada en rails, la microfluídica basada en paper i la microfluídica basada en fils. Els desavantatges dels sistemes oberts inclouen la susceptibilitat a l'evaporació, la contaminació, i el cabal limitat.
Flux continu La microfluídica de flux continu es basa en el control d'un flux de líquid en estat estacionari a través de canals estrets o medis porosos, predominantment accelerant o dificultant el flux de fluid en elements capil·lars. En la microfluídica basada en paper, els elements capil·lars es poden aconseguir mitjançant la simple variació de la geometria de la secció. En general, l'accionament del flux de líquid s'implementa mitjançant fonts de pressió externes, bombes mecàniques externes, microbombes mecàniques integrades o mitjançant combinacions de forces capil·lars i mecanismes electrocinètics. El funcionament microfluídic de flux continu és l'enfocament principal perquè és fàcil d'implementar i menys sensible als problemes d'incrustació de proteïnes. Els dispositius de flux continu són adequats per a moltes aplicacions bioquímiques ben definides i senzilles, i per a certes tasques com la separació química, però són menys adequats per a tasques que requereixen un alt grau de flexibilitat o manipulacions de fluids. Aquests sistemes de canals tancats són inherentment difícils d'integrar i escalar perquè els paràmetres que governen el camp de flux varien al llarg de la trajectòria de flux, fent que el flux de fluid en qualsevol ubicació depengui de les propietats de tot el sistema. Les microestructures gravades permanentment també condueixen a una reconfigurabilitat limitada i a una baixa capacitat de tolerància a fallades. miniatura|Sensor de microfluids Les capacitats de monitorització de processos en sistemes de flux continu es poden aconseguir amb sensors de flux microfluídic altament sensibles basats en tecnologia MEMS, que ofereix resolucions fins al rang de nanolitres.
Basat en gotes miniatura|Vídeo d'alta freqüència d'imatges que mostra la formació de microbombolles en un dispositiu microfluídic d'enfocament de flux La microfluídica basada en gotes difereix de la microfluídica contínua; la microfluídica basada en gotes manipula volums discrets de fluids en fases immiscibles amb un nombre de Reynolds baix i règims de flux laminar. L'interès pels sistemes de microfluídica basats en gotes ha crescut substancialment en les últimes dècades. Les microgotes permeten manejar volums miniatura (μL a fL) de fluids convenientment, proporcionen una millor barreja, encapsulació, classificació i detecció, i s'adapten a experiments d'alt rendiment. Aprofitar els beneficis de la microfluídica basada en gotes de manera eficient requereix una comprensió profunda de la generació de gotes per realitzar diverses operacions lògiques com ara la manipulació de gotes, la classificació de gotes, la fusió de gotes i la ruptura de gotes.
Digital Les alternatives als sistemes de flux continu de canal tancat anteriors inclouen noves estructures obertes, on es manipulen gotes discretes i controlables independentment sobre un substrat mitjançant electrohumectació. Seguint l'analogia de la microelectrònica digital, aquest enfocament es coneix com a microfluídica digital. Le Pesant et al. van ser pioners en l'ús de forces electrocapil·lars per moure gotes sobre una pista digital. El "transistor de fluids" pioner per Cytonix també va tenir un paper important. La tecnologia va ser posteriorment comercialitzada per la Universitat de Duke. Mitjançant l'ús de gotes discretes de volum unitari, una funció microfluídica es pot reduir a un conjunt d'operacions bàsiques repetides, és a dir, moure una unitat de fluid sobre una unitat de distància. Aquest mètode de "digitalització" facilita l'ús d'un enfocament jeràrquic i basat en cel·les per al disseny de bioxips microfluídics. Per tant, la microfluídica digital ofereix una arquitectura de sistema flexible i escalable, així com una alta capacitat de tolerància a fallades. A més, com que cada gota es pot controlar de manera independent, aquests sistemes també tenen reconfigurabilitat dinàmica, de manera que els grups de cel·les unitàries d'una matriu microfluídica es poden reconfigurar per canviar la seva funcionalitat durant l'execució simultània d'un conjunt de bioassajos. Tot i que les gotes es manipulen en canals microfluídics confinats, com que el control de les gotes no és independent, no s'ha de confondre amb "microfluídica digital". Un mètode d'actuació comú per a la microfluídica digital és l'electrohumidificació sobre dielèctric (EWOD). S'han demostrat moltes aplicacions de laboratori en un xip dins del paradigma de la microfluídica digital mitjançant l'electrohumidificació.
Basat en paper Es proposen dispositius microfluídics basats en paper per proporcionar sistemes de diagnòstic mèdic portàtils, econòmics i fàcils d'utilitzar. La microfluídica basada en paper es basa en el fenomen de la penetració capil·lar en medis porosos. Per ajustar la penetració de fluids en substrats porosos com el paper en dues i tres dimensions, es pot controlar l'estructura dels porus, la humectabilitat i la geometria dels dispositius microfluídics, mentre que la viscositat i la velocitat d'evaporació del líquid tenen un paper important addicional. Molts d'aquests dispositius presenten barreres hidrofòbiques en paper hidròfil que transporten passivament solucions aquoses a les sortides on tenen lloc les reaccions biològiques. La microfluídica basada en paper es considera com a biosensors portàtils de punt d'atenció que s'utilitzen en un entorn remot on no es poden accedir a eines de diagnòstic mèdic avançades. Les aplicacions actuals inclouen la detecció portàtil de glucosa i les proves ambientals, amb l'esperança d'arribar a zones que manquen d'eines de diagnòstic mèdic avançades.
Detecció de partícules