Non-conventional solutions to physical and engineering problems facing microfluidics

Abstract

Microfluidics is a vital tool for scientific research utilising micrometre scale features to provide unparalleled control of micro-, nano- and pico-litres of fluid. Planar lithographic design and fabrication techniques have become more versatile and refined over time. However, stagnation of novel designs, fabrication methodologies and experimental conditions is increasing due to the current limitations. 3D printing is approaching the resolution required in microfluidics, whilst also providing greater freedom of design, materials, and fabrication techniques. This thesis seeks to overcome the traditional limitations using 3D printing to innovate design and production, enabling rapid prototyping methodologies and truly 3D structures, which are typically expensive and labour intensive. The first system discussed within this work generates cells-laden gelatin microdroplets and featured heating and cooling water channels, with a performance comparative to commercial devices. Secondly, a flow cell for the screening of extracellular lectins via glycomimetic liposomes was produced. Additionally, stereolithographic printing was used to produce a bioinspired monolithic droplet generator which featured intertwined channels. Finally, a Van de Graaff generator-based electrophoresis system was developed in order to generate record breaking separation resolutions whilst extended capillary lifespan compared to other experimental systems.

Die Mikrofluidik ist ein wichtiges Werkzeug für die wissenschaftliche Forschung, das Merkmale im Mikrometerbereich nutzt, um eine beispiellose Kontrolle von Mikro-, Nano- und Pikolitern von Flüssigkeiten zu ermöglichen. Planare lithografische Konstruktions- und Herstellungstechniken sind im Laufe der Zeit vielseitiger und verfeinert worden. Aufgrund der derzeitigen Einschränkungen nimmt jedoch die Stagnation neuartiger Designs, Herstellungsmethoden und experimenteller Bedingungen zu. Der 3D-Druck nähert sich der in der Mikrofluidik erforderlichen Auflösung und bietet gleichzeitig eine größere Freiheit bei Design, Materialien und Herstellungstechniken. Diese Dissertation versucht, die traditionellen Einschränkungen bei der Verwendung von 3D-Druck zu überwinden, um Design und Produktion zu erneuern und schnelle Prototyping-Methoden und echte 3D-Strukturen zu ermöglichen, die normalerweise teuer und arbeitsintensiv sind. Das erste in dieser Arbeit diskutierte System erzeugt mit Zellen beladene Gelatine-Mikrotröpfchen und verfügt über Heiz- und Kühlwasserkanäle mit einer Leistung, die mit kommerziellen Geräten vergleichbar ist. Zweitens wurde eine Durchflusszelle für das Screening von extrazellulären Lektinen über glykomimetische Liposomen hergestellt. Darüber hinaus wurde stereolithografischer Druck verwendet, um einen bioinspirierten monolithischen Tröpfchengenerator herzustellen, der ineinander verschlungene Kanäle aufweist. Schließlich wurde ein auf einem Van-de-Graaff-Generator basierendes Elektrophoresesystem entwickelt, um rekordverdächtige Trennauflösungen zu erzeugen und gleichzeitig die Kapillarlebensdauer im Vergleich zu anderen experimentellen Systemen zu verlängern.