Effetto di ostacoli cilindrici sulla fluidodinamica e sul processo di mescolamento in microdispositivi

Negli ultimi anni sono state sviluppate tecniche di produzione che prevedono l’impiego di dispositivi microfluidici in grado di sintetizzare fine chemicals e di creare minuscole particelle uniformi, utili nel settore della chimica di processo come anche nel medico – farmaceutico. L’efficienza e l’efficacia nell’utilizzo di queste particelle è influenzata in particolar modo dalla loro distribuzione dimensionale, la quale deve essere rigorosamente uniforme. Recenti studi hanno dimostrato che per ottenere prodotti con caratteristiche omogenee è necessario raggiungere un veloce ed elevato mescolamento dei fluidi all’interno dei microreattori. In questa tesi sono stati analizzati tre dispositivi per stabilire una loro possibile applicazione nella produzione di particelle lipidiche (dette anche liposomi), impiegate nel settore medico – farmaceutico come vettori per sistemi di somministrazione di farmaci. I dispositivi sono caratterizzati dall’avere tre differenti sequenze di ostacoli cilindrici, sviluppate attraverso l’utilizzo di un software di ottimizzazione (Flowsculpt) validato fino ad ora solo per sistemi con stessa fase liquida. Al fine di analizzare le performance di mescolamento e la fluidodinamica all’interno dei dispositivi al variare delle condizioni operative, sono stati effettuati esperimenti e simulazioni numeriche considerando un sistema con stessa fase (Acqua – Acqua) ed un sistema più complesso, rappresentato dalla miscela non ideale Acqua – Etanolo, generalmente impiegata nel processo di produzione di particelle lipidiche. La validazione delle immagini ottiche sperimentali con quelle numeriche hanno verificato i dati ottenuti da Flowsculpt sul sistema Acqua – Acqua, ed hanno permesso di descrivere i meccanismi del mescolamento strettamente influenzato dalla configurazione degli ostacoli nel microcanale. I risultati sul sistema Acqua – Etanolo invece hanno confermato le alte prestazioni di mescolamento dei dispositivi, dimostrando la possibilità di utilizzare tali microreattori per la produzione di liposomi. In the last few years, several manufacturing techinques using microfluidic devices have been developed for the synthesis of fine chemicals and the production of nanoparticles, useful in the chemistry field as well as in the medical–pharmaceutical one. The efficiency and effectiveness in the application of these particles is particulary influenced by their size distribution, which must be strictly uniform. Recent research works have shown that in order to create products with homogeneous characteristics it is necessary to achieve an high and fast mixing of the fluids in the microreactors. In this thesis, three microdevices have been studied for evaluating their possible application in the production of liposomes, which are used in the medical – pharmaceutical sector as carrier for drug delivery systems. The devices are characterized by having three different sequences of cylindrical obstacles, developed through the use of an optimization software (Flowsculpt) and validated so far only for systems with the same liquid phase. To assess the mixing performance and the dynamics inside the devices at several operating conditions, experiments and numerical simulations for two different systems have been carried out: the first one with the same liquid phase (Water – Water) and the second ones represented by the non-ideal mixture Water – Ethanol, which is generally employed for liposomes production. The experimental results were validated against the data obtained by Flowscuplt on the Water – Water system, allowing us to describe the mechanisms of mixing influenced by the configuration of the sequences of obstacles in the microchannel. Moreover, the experimental and numerical results on the Water – Ethanol system have confirmed the high mixing performance of the devices, proving the possibility of using these microreactors for the production of lipid particles