Microfluidics for biosensing with additive manufacturing: simulation model and fabrication

Abstract

(English) Over the last decade, biosensing has been moving towards the miniaturized and cost-effective point-of-care (POC) testing. Even though microfluidics is becoming a key enabling technology for POC testing, the need for robust peripheral equipment has been a notable limiting factor in extending its prevalence. By manipulating microchannels' geometry and surface properties, capillary-driven microfluidics can control fluids spontaneously, reducing the need for external instrumentation. This advantage is becoming more accessible, considering that additive manufacturing technologies are reaching a high level of maturity that allows cost-effective and rapid fabrication of three-dimensional (3D) features down to the sub-millimeter scale. Therefore, capillary-driven microfluidics are achieving higher technological readiness. A key component within the field of capillary-driven microfluidics is the capillary valve. The capillary valve can automatically stop and actuate fluid flows depending on the molecular interactions between the liquid and the microchannel surfaces. However, a major concern for these valves is the presence of unwanted diffusion and mixing during the valve function, leading to cross-contamination between reagents or even with the sample. This thesis studied different methods in the literature to stop and actuate the flow as the two main stages of these valves. Then, passing over the state-of-the-art, a novel 3D diffusion-free capillary valve was developed: the π-valve. This valve incorporates an air gap between solutions to eliminate diffusion between them. Based on the valve's distinctive configuration, the capillarity of the microfluidic circuit displaces the air gap at a predefined time to actuate without producing bubbles into the circuit. The proposed valve's design and study were performed via numerical simulation and experimental assays, while 3D printing (3DP) was employed to fabricate the microfluidic devices. The π-valve's functionality, single and in array, was proven and compared with the conventional capillary valves. Then, it was applied to the precise control of reagents for biosensing, demonstrated by two different competitive immunoassays via (i) the subsequent washing step for the lateral flow assay of cortisol, and (ii) the valve array for the sequential delivery of sample and three reagents to detect benzodiazepine quantitatively. The sensitivity was enhanced by avoiding the reagent diffusive premixing when using the π-valve by approximately 40%. As a result, the proposed capillary valve is a promising capillary component for conducting automated immunoassays at POC. In conclusion, the novel capillary valve addresses a current biosensing sensitivity issue coming from reagent diffusive premixing, and together with other disruptive capillary-driven circuit components, paves the way for truly packing lab-on-a-chip without requiring a lab around the chip. In this regard, the next generation of capillary-driven microfluidic devices will be promising tools offering (i) miniaturized features needing fewer samples and reagents, (ii) non-costly POC testing without peripheral instrumentation, (iii) automated, preprogrammed, and easy-to-use for non-expert users, as well as (iv) sensitive, precise and reliable based on novel 3D designs employing surface properties. This is owing to the recent advancements in microfabrication based on additive manufacturing extending 3D forming freedom.

(Català) Durant l'última dècada, la biosensòrica ha avançat cap a proves Point-of-Care (POC) miniaturitzades i de baix cost. Tot i que la microfluídica s'ha convertit en una tecnologia clau per a les proves POC, la necessitat d'equips perifèrics robusts es un factor limitant per tal d’ampliar la seva utilitat. Manipulant la geometria i les propietats superficials dels microcanals, la microfluídica impulsada per capil·laritat pot controlar els fluids de manera espontània, reduint la necessitat d'instrumentació perifèrica. Gràcies a les tecnologies de fabricació additiva, aquest avantatge és cada cop més accessible ja que s’estan aconseguint uns nivell alts de maduresa que permeten una fabricació robusta i ràpida amb geometries tridimensionals (3D) dins l’escala submilimètrica. Degut això, la microfluídica impulsada per capil·laritat està adquirint més maduresa tecnològica. Un component clau dins del camp de la microfluídica impulsada per capil·laritat és la vàlvula capil·lar. La vàlvula capil·lar pot aturar i accionar automàticament els fluxos de líquids en funció de les interaccions moleculars entre el propi líquid i les superfícies del microcanal. No obstant això, una de les principals preocupacions d'aquestes vàlvules és la presència de difusió i mescles no desitjades durant la utilització de la vàlvula, causant una contaminació creuada entre reactius o fins i tot amb la mostra. Aquesta tesi va estudiar diferents mètodes presents a la literatura per poder parar i accionar el flux, dos dels passos principals d'aquestes vàlvules. Després, sobrepassant l'estat de l’art de la tècnica, es va desenvolupar una nova vàlvula capil·lar que evita la difusió: la vàlvula π. Aquesta vàlvula incorpora una cavitat d’aire entre les solucions per eliminar el contacte i conseqüentment la difusió entre elles. Gràcies a la configuració distintiva de la vàlvula, la capil·laritat del circuit microfluídic desplaça el buit d'aire en un moment predefinit per accionar-se sense produir bombolles al circuit fluídic. Tan el disseny com l'estudi de la vàlvula π proposada es van realitzar mitjançant simulació numèrica i assajos experimentals, mentre que la impressió 3D (3DP) es va utilitzar per fabricar dispositius microfluídics. La funcionalitat de la vàlvula π, sola i en paral·lel, es va provar i comparar amb les vàlvules capil·lars convencionals. Seguidament, es va aplicar pel control precís de solucions durant el procés de biosensòrica, específicament per dos immunoassajos competitius. La seqüència de passos són els següents: (i) post rentat d’un dispositiu de flux lateral de cortisol; (ii) la matriu de 3 vàlvules per seqüenciar l’enviament de mostra i tres reactius per detectar quantitativament les benzodiazepines. La sensibilitat es va millorar un 40% aproximadament, evitant la premescla difusa de reactius degut a la vàlvula π. Com a resultat, la vàlvula capil·lar proposada és un element prometedor per dur a terme immunoassajos automatitzats en proves POC. En conclusió, la nova vàlvula capil·lar soluciona un problema actual de sensibilitat dels biosensors que prové de la premescla difusa de reactius i, juntament amb altres components disruptius del circuit impulsat per capil·laritat, obre camí per miniaturitzar el diagnòstic en un xip sense requerir un laboratori al voltant del xip. En aquest sentit, la propera generació de dispositius microfluídics impulsats per capil·laritat oferiran eines prometedores com: (i) miniaturització de processos de laboratori que necessiten menys mostres i reactius, (ii) proves POC de baix cost sense instrumentació perifèrica, (iii) alt grau d’automatització fent-lo útil d’utilitzar per a usuaris no experts, així com (iv) incrementar sensibilitat, precisió i fiabilitat. Tot això es deu als recents avenços en la microfabricació basada en la fabricació additiva ja que amplia la llibertat de conformació tridimensionals dels dispositius microfluídics.