Microfluidic platforms: from 3D printing to µPADs for chemical and biological applications

Abstract

Over the past decade, microfluidic technology has proven its capabilities to start bringing detection and quantification capacities to novel miniaturized devices. The current generation of microfluidic platforms provide great precision in detection and quantification. At the same time, they have started to evolve towards self-sufficient (stand-alone) setups. These platforms are relying less and less on external power sources and they use built-in detection and quantification methods to be flexible and mobile. Among the various Lab on a Chip (LOC) applications, micro–Total Analysis Systems (µTAS) and Point of Care Tests (POCT) are the pinnacles of microfluidic platforms. They are accurate, rapid, cost-effective, and user-friendly. They can monitor and measure compounds that were, previously, only detectable in state-of-the-art laboratories. This characteristic is quite important and vital, especially when it comes to human health status monitoring. Therefore, developing POCs and µTASs has been the center of attention for researchers in recent years. To reduce the reliance of microfluidic platforms on external power sources and measuring instruments. There is the need to improve and enhance the microfluidic platforms, not only from the performance point-of-view but also from their manufacturability, to be able to batch produce them at lower costs. Most microfluidic circuits detect or measure a compound and in the first step, they need to label/enhance a reaction, in other words, mix two or more components and then analyze the results based on the readout. This thesis proposes an enhancement of the performance of a key element in most µTAS and POC devices such as the micromixer, with the introduction of a geometrical expansion that increases the diffusion path without increasing the pressure loss. Afterwards, its performance is validated and the design has been used to quantify for the first time on a microfluidic platform the ionic strength of buffered and non-buffered solutions. Finally, and to avoid the need for syringe pumps, in the same quantification strategy, we have introduced paper as a substrate material and optimized the inlet geometry to enhance the performance of the novel microfluidic paper-diffusion-based sensor for ionic strength quantification. The proposed sensor was able to quantify the ionic strength of buffered and non-buffered solutions down to 0.1 M concentrations using Whatman 5 paper substrate.

Durante la última década, la tecnología microfluídica ha demostrado sus capacidades para empezar a aportar capacidades de detección y cuantificación a nuevos dispositivos miniaturizados. La generación actual de plataformas microfluídicas proporciona una gran precisión en la detección y cuantificación. Al mismo tiempo, han comenzado a evolucionar hacia configuraciones autosuficientes (independientes). Estas plataformas dependen cada vez menos de fuentes de alimentación externas y utilizan métodos de detección y cuantificación integrados para ser flexibles y móviles. Entre las diversas aplicaciones de Lab on a Chip (LOC), los sistemas de análisis micro-total (µTAS) y las pruebas de punto de cuidados (POCT) son los pináculos de las plataformas microfluídicas. Son precisas, rápidas, rentables y fáciles de usar. Pueden monitorizar y medir compuestos que anteriormente sólo eran detectables en laboratorios de última generación. Esta característica es muy importante y vital, especialmente cuando se trata de la vigilancia del estado de salud humana. Por lo tanto, el desarrollo de POCs y µTASs ha sido el centro de atención para los investigadores en los últimos años. Reducir la dependencia de las plataformas microfluídicas de fuentes de energía externas e instrumentos de medición. Existe la necesidad de mejorar y mejorar las plataformas microfluídicas, no sólo desde el punto de vista del rendimiento, sino también desde su viabilidad de fabricación, para poder fabricarlas por lotes a menores costes. La mayoría de los circuitos microfluídicos detectan o miden un compuesto y, en el primer paso, necesitan etiquetar/mejorar una reacción, es decir, mezclar dos o más componentes y luego analizar los resultados basándose en la lectura. Esta tesis propone una mejora del rendimiento de un elemento clave en la mayoría de los dispositivos µTAS y POC como el micromegador, con la introducción de una expansión geométrica que aumenta la trayectoria de difusión sin aumentar la pérdida de presión. Posteriormente, se valida su rendimiento y se utiliza el diseño para cuantificar por primera vez en una plataforma microfluídica la fuerza iónica de las soluciones tamponadas y no tamponadas. Por último, y para evitar la necesidad de bombas de jeringa, en la misma estrategia de cuantificación, hemos introducido el papel como material sustrato y optimizado la geometría de entrada para mejorar el rendimiento del novedoso sensor microfluídico basado en difusión de papel para la cuantificación de la fuerza iónica. El sensor propuesto fue capaz de cuantificar la resistencia iónica de las soluciones tamponadas y no tamponadas hasta concentraciones de 0,1 M utilizando el sustrato de papel Whatman 5.