Lab on a chip systems for biochemical analysis, biology and synthesis: towarda simple, scalable microfabrication technolgies based on COC and LTCC

Abstract

La tecnologia Lab on a Chip (LOC) ha experimentat un extraordinari creixement en les dues últimes dècades, gràcies al desenvolupament de noves tecnologies de microfabricació i al coneixement més profund dels fenòmens físics dominants a la microescala. Els sistemes LOC presenten diversos avantatges sobre els sistemes macroscòpics anàlegs: transport d'energia i matèria més eficients, miniaturització, automatització, integració, alta densitat d'informació, entre d'altres. Aquests avantatges han cridat l'atenció d'una àmplia comunitat científica i tecnològica, relacionada amb camps d'aplicació tan diferents com la química, la biologia, la medicina i la nanotecnologia.

Tanmateix, el camp encara es troba en una fase de desenvolupament, tal com demostra el limitat nombre d'aplicacions LOC al mercat. És necessari encarar diferents reptes per a superar aquesta barrera. Per una banda, els sistemes LOC han d'integrar totes les operacions necessàries per a cada aplicació en qüestió, i al mateix temps, proporcionar una interfície simple per als usuaris. A més, els sistemes LOC han de superar significativament les prestacions dels seus anàlegs macroscòpics per a justificar la inversió en una nova tecnologia. Per altra banda, els materials i les tecnologies de fabricació han de proporcionar la manera de produir tals dispositius, tant a escala de prototipat com de fabricació en massa. Per tant, en desenvolupar sistemes LOC cal tenir en compte l'escalabilitat dels processos de fabricació, i així, abordar l'obstacle que suposa la transició a fabricació en massa.

Aquesta tesi se centra en el desenvolupament de dispositius LOC emprant processos de fabricació escalables basats en una aproximació multicapa. Aquests sistemes LOC han estat destinats a tres aplicacions ben diferents, exemples de com camps tan allunyats poden beneficiar-se d'aquesta tecnologia. Els requeriments específics de cada aplicació han determinat la selecció del material més adient i la integració dels elements necessaris al sistema LOC.

El primer cas consisteix en el desenvolupament d'un dispositiu LOC fabricat amb Co-polímer d'Olefina Cíclica (COC), així com un actuador magnètic per al control i la manipulació de partícules magnètiques dins el dispositiu. Aquest sistema analític va ésser emprat per a la detecció del bacteri patogen E.~coli O157:H7, demostrant una significant millora de la sensibilitat i una gran facilitat d'operació. El segon exemple també es basa en un dispositiu de COC, en aquest cas, per a retenir i madurar oòcits. Aquest sistema va demostrar la seva idoneïtat per a aplicacions de reproducció assistida. Així mateix, la integració d'escalfadors transparents en aquests sistemes assenta la base per al desenvolupament de plataformes de cultiu/fertilització totalment independents. En ambdós exemples, el COC proporciona avantages significatives com ara alta transparència, baixa autofluorescència i biocompatibilitat.

L'últim cas consisteix en el desenvolupament de microreactors fabricats amb ceràmiques de sinterització a baixa temperatura (LTCC, per les seves sigles en anglès). Aquests varen ser destinats a la intensificació de processos sintètics de nanomaterials dissenyats per a aplicacions analítiques. Aquest substrat i la seva tecnologia de fabricació associada permeten la integració monolítica d'escalfadors, estructures complexes 3D i finestres òptiques. Es varen sintetizar nanopartícules de Magnetita i Carbon Dots sota dures condicions de reacció, aprofitant l'estabilitat química i estructural del material LTCC.

Els resultats presentats en aquesta tesi demostren la versatilitat de la tecnologia LOC i els avantatges que proporciona en un gran ventall d'aplicacions. A més, les metodologies de fabricació desenvolupades podrien ésser potencialment extrapolades a processos de fabricació en massa, fet de gran importància per a la transferència de tecnologia cap a aplicacions comercials i industrials.

La tecnología Lab on a Chip ha experimentado un extraordinario crecimiento en las dos últimas décadas, gracias al desarrollo de nuevas tecnologías de microfabricación y al conocimiento más profundo de los fenómenos físicos dominantes a la microescala. Los sistemas LOC presentan diversas ventajas sobre los sistemas macroscópicos análogos: transporte de energía y materia más eficientes, miniaturización, automatización, integración, alta densidad de información, entra otras. Estas ventajas han llamado la atención de una amplia comunidad científica y tecnológica, relacionada con campos de aplicación tan distintos como la química, la biología, la medicina y la nanotecnología.

No obstante, el campo se encuentra todavía en una fase de desarrollo, tal como demuestra el limitado número de aplicacions LOC en el mercado. Es necesario afrontar diversos retos para superar esta barrera. Por un lado, los sistemas LOC deben integrar todas las operaciones necesarias para cada aplicación en cuestión, y al mismo tiempo, proporcionar una interfaz simple a los usuarios. Además, los sistemas LOC deben superar significativamente las prestaciones de sus análogos macroscópicos para justificar la inversión en una nueva tecnología. Por otro lado, los materiales y sus tecnologías de fabricación asociadas deben proporcionar la manera de producir tales dispositivos, tanto a nivel de prototipado como de fabricación en masa. Por tanto, al desarrollar sistemas LOC debe tenerse en cuenta la escalabilidad de los procesos de fabricación, y de esta manera, abordar el obstáculo que supone la transición a fabricación en masa.

Esta tesis se centra en el desarrollo de dispositivos LOC utilizando procesos de fabricación escalables basados en una aproximación multicapa. Estos sistemas LOC se han destinado a tres aplicaciones muy diferentes, ejemplo de como campos tan alejados pueden beneficiarse de esta tecnología. Los requerimientos específicos de cada aplicación han determinado la selección del material más adecuado y la integración de los elementos necesarios en el sistema LOC.

El primer caso consiste en el desarrollo de un dispositivo LOC fabricado con Co-polímero de Olefina Cíclica (COC), así como un actuador magnético para el control y la manipulación de partículas magnéticas dentro del dispositivo. Este sistema analítico fue utilizado para la detección de la bacteria patógena E.~coli O157:H7, demostrando una significativa mejora de la sensibilidad y una gran facilidad de operación. El segundo ejemplo también se basa en un dispositivo de COC, en este caso, para retener y madurar oocitos. Este sistema demostró su idoneidad para aplicaciones de reproducción asistida. Asimismo, la integración de calentadores transparentes en estos sistemas sienta la base para el desarrollo de plataformas de cultivo/fertilización totalmente independientes. En ambos ejemplos, el COC proporciona ventajas significativas como por ejemplo, una alta transparencia, baja autofluorescencia y biocompatibilidad.

El último caso consiste en el desarrollo de microreactores fabricado con cerámicas de sinterización a baja temperatura (LTCC por sus siglas en inglés). Éstos se destinaron a la intensificación de procesos sintéticos de nanomateriales diseñados para aplicaciones analíticas. Este sustrato y su tecnología de fabricación asociada permiten la integración monolítica de calentadores, estructuras complejas 3D y ventanas ópticas. Se sintetizaron nanopartículas de Magnetita y Carbon Dots bajo duras condiciones de reacción, aprovechando la estabilidad química y estructural del material LTCC.

Los resultados presentados en esta tesis demuestran la versatilidad de la tecnología LOC y las ventajas que proporciona a un amplia abanico de aplicaciones. Además, las metodologías de fabricación desarrolladas podrían ser potencialmente extrapoladas a procesos de fabricación en masa, hecho de gran importancia para la transferencia de tecnolgía hacia las aplicaciones comerciales e industriales.

Lab on a Chip (LOC) technology has experienced a remarkable growth in the last two decades, owing to the development of novel microfabrication technologies and the better understanding of physical phenomena at the microscale. LOC systems present several advantages over conventional macroscopic systems: enhanced mass and energy transport, miniaturization, automation, integration and throughput, among others. These advantages have drawn the attention of a wide scientific and technological community, related to very different application areas such as chemistry, biology, medicine and nanotechnology.

However, the field is still in a development stage, as proven by the limited number of LOC products in the market. Different challenges need to be addressed to overcome this issue. On the one hand, the LOC system should integrate all the required operations for a given application, while keeping a simple interface for the end-users. Moreover, LOC systems should significantly outperform existing macroscopic analogues in order to justify the required investment in a new technology. On the other hand, materials and fabrication technologies need to provide the means to achieve that, both at a prototyping and mass production levels. Therefore, the scalability of the fabrication process should also be considered in order to bridge the gap between research prototyping and commercial production.

This dissertation is focused on the development of LOC devices using scalable processes based on multilayer fabrication approaches. These LOC systems are targeted at very different applications, examples of how different fields can benefit from this technology. The specific requirements of each application have driven the selection of the substrate and the integration of the necessary elements on the LOC systems.

The first case consists on the development of a LOC device using Cyclic Olefin Co-polymer (COC) as substrate and a simple magnetic actuator for the control and actuation of Magnetic Beads \emph{on-chip}. This analytical system was devoted to the detection of pathogenic E.~coli O157:H7 whole cells, demonstrating an enhanced performance and simple operation. The second example is also based on a COC device, in this case, to trap and culture oocyte cells. This LOC system demonstrated its suitability for Assisted Reproductive Technology applications. Moreover, the integration of transparent heaters lays the grounds for a fully independent culture/fertilization platform. In both cases, COC provides significant advantages such as high transparency, low autofluorescence and biocompatibility.

The last case consists on the development of Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) microreactors for the synthetic process intensification of nanomaterials designed for analytical applications. This substrate and its associated fabrication technology enabled the monolithic integration of heaters, complex 3D-structures and optical windows. Magnetite nanoparticles and Carbon Dots were synthesized under harsh reaction conditions, taking advantage of the chemical and structural stability of the LTCC substrate.

The results presented in this dissertation demonstrate the versatility of LOC technology and the advantages that it provides in a wide range of applications. Moreover, the fabrication methodologies developed could potentially be extrapolated to a mass production scale, which is of paramount importance for the technology transfer to commercial and industrial applications.