Self-contained microfluidic platform for general purpose lab-on-chip using pcb-mems technology.

Abstract

El presente trabajo está centrado en la investigación de una nueva plataforma microfluídica autónoma para propósito general fabricada en PCBMEMS. En la vista de la proliferación en los últimos años de los sistemas microfluídicos Lab on Chip (LoC) y la multitud de aplicaciones en las que tienen cabida, surge la necesidad de creación de un sistema portable, autónomo y con una fabricación orientada hacia la producción masiva. En este contexto, se presenta el trabajo de esta tesis dentro de los proyectos de investigación de financiación nacional ISILAB (TEC2011-29045-C04-02) y BIOLOP (TEC2014-54449-C3-2- R). La tesis se encuentra organizada para cubrir los aspectos previamente propuestos. Primeramente, se presenta una introducción donde se explican los motivos para el desarrollo de este trabajo y cuáles son los objetivos específicos que se quieren cumplir. Seguidamente, se hace un breve estudio del arte. En este estudio se presenta la tecnología MEMS, los principios básicos de la microfluídica, que son los fundamentos de los sistemas LOCs y por último, se detalla un estudio de los principales elementos activos en la literatura que componen una plataforma microfluídica. Después de la introducción y revisión literaria del marco de esta tesis, se explican los resultados obtenidos. Esta tesis está desarrollada en dos fases principales: el desarrollo de todos los componentes que hacen un lab on chip autónomo de propósito general y el desarrollo de una tecnología basada en estándares para una producción masiva. En la primera fase se detallan los principales componentes que forman parte de una plataforma autónoma multifunción: microválvula, sistema de impulsión, circuito microfluídico y plataforma de sensado. Todos estos componentes son diseñados como un prototipo y están fabricados en SU-8 y PCBMEMS. El PCB permanece como sustrato y los canales y cámaras microfluídicas están fabricados en SU-8. La microválvula diseñada presenta una activación termoeléctrica, es de un solo uso y tiene una rápida activación y un consumo bajo de energía. Además, el diseño está pensado para ser altamente integrable en una plataforma microfluídica. El siguiente componente descrito es una sistema de impulsión basado en cámaras presurizadas, este sistema está integrado con la microválvula y su principal característica es la activación en el momento de uso, asegurando la ausencia de pérdidas. Para probar la validez de los componentes anteriores, se desarrolla un circuito microfluídico de propósito general. El circuito está diseñado para mezclar dos muestras y transportarlas a una cámara de detección. Finalmente, se desarrolla una plataforma para la detección de glucosa, integrable en el circuito microfluídico. Una vez desarrollado el prototipo, el siguiente objetivo de la tesis es el paso de la tecnología de prototipado hacía una de producción masiva. Para ello los materiales utilizados son el PMMA y el PCB. La tecnología PCBMEMS es conocida por su versatilidad para la integración de la electrónica, por lo que lo hace idóneo para la conexión con el exterior. El PMMA es un material también muy extendido en las aplicaciones microfluídicas, debido a su transparencia, bio compatibilidad y su fácil modelado. La unión de los dos componentes representa un desafío en el desarrollo de la tesis, debido a sus diferentes propiedades químicas. El proceso de fabricación se desarrolla integrando la microválvula y el sistema de impulsión, como partes de una plataforma microfluídica. Para terminar, se ha diseñado un pequeño circuito microfluídico para probar la viabilidad del sistema propuesto hacia una tecnología de gran escala. Finalmente, se exponen las conclusiones de la investigación, las posibles líneas futuras de este trabajo y los apéndices que complementan el trabajo de la tesis.

The work presented is focused on the investigation of a new autonomous microfluidic platform manufactured using PCBMEMS technology for general purpose. With the proliferation of the microfluidic platforms, Lab on Chip (LoC), and the multitude of applications which have placed in the market, there is a need to create a self-contained microfluidic platform for general purpose with mass production-oriented manufacturing. Within this framework, the work of this thesis is presented. This is part of two national research project ISILAB (TEC2011-29045-C04-02) and BIOLOP (TEC2014-54449-C3-2- R). The thesis is organized to cover the aspects previously explained. Firstly, an introduction is presented with the motivation and objectives of this work. Subsequently, a study of the art is done. This study presents theMEMS technology, the basics principles of microfluidics, which are the pillars of the lab on chips and finally, a study of the main active elements presented in the literature. After the introduction and the literary revision of the framework of this thesis, the results obtained are presented. This thesis is developed in two main phases: the development of all components that make an autonomous general purpose lab on chip and the development of a standards-based technology for mass production. The first phase details the main components of an autonomous multifunction platform: microvalve, impulsion system, microfluidic circuit and sensing platform. All of these components are designed as a prototype and are manufactured in SU- 8 and PCBMEMS. The PCB remains as a substrate, and the microfluidic channels and chambers are manufactured in SU-8. The microvalve developed is a single use thermoelectrical microvalve with fast activation and low power consumption. In addition, the design is thought to be highly integrable in a microfluidic plat-form. The next component is a impulsion system based on pressurized chambers. The system is integrated with the microvalve and its main characteristic is the activation at the moment of use, ensuring the absence of losses. To test the validity of the above components, a general purpose microfluidic circuit is developed. The circuit is designed to mix two samples and transport those to a detection chamber. Finally, a platform for the detection of glucose, integrable in the microfluidic circuit, is developed. Once the prototype is achieved, the next objective of the thesis is the migration from prototyping technology to mass production. To this end, the materials used are PMMA and PCB. PCBMEMS technology is known for its versatility for the integration of electronics, making it suitable for electrical connection. PMMA is also widely used in microfluidic applications due to its transparency, bio compatibility and easy modeling. The union of the two components represents a challenge in the development of the thesis due to its different chemical properties. The manufacturing process is developed by integrating the microvalve and the drive system, as parts of a microfluidic platform. In conclusion, a small microfluidic circuit is designed by testing the feasibility of the proposed system towards large-scale technology. Finally, the conclusions of the research, the possible future lines of this work and the appendices that complement the work of the thesis are presented.