Design, Fabrication and Testing of Microfluidic Chips for Biomedical Application

Abstract

Microfluidics is a science and technology. The scientific aspect deals with the behaviour of fluids in the channels of the micrometre order because the behaviour of fluids on the microscale differs drastically in relation to the macroscale. The technological aspect deals with the production and miniaturization of devices, which consist of microchannels or even nanochannels. Unlike the miniaturization of integrated circuits and microelectromechanical devices, in which the whole device is scaled, for microfluidics only the scaling of the space through which the fluid moves is important. The sensitivity of the device is determined by the minimum amount of microfluid that can be used. The fabrication of microfluidic devices is still far from mass production for which there is already a need. Current fabrication technologies are concentrated on the production of laboratory prototypes or have unsatisfactory characteristics for biomedical applications. The development of new technology that can reconcile mass production and biomedical compatibility is the main thread of this thesis. The use of microfluidic devices in biomedicine with an emphasis on material testing as well as personalization and precise dosing of therapy is one of the hot topics today. In precision dosing, one of the most important roles is played by the mixer or micromixer, because the precision and agility of the entire system depend on its precision. The construction of micromixers is a current topic in today's research laboratories.

Микрофлуидика представља науку и технологију. Научни аспекат се бави понашањем флуида у каналима реда микрометра јер се понашање флуида на микроскали драстично разликује у односу на макроскалу. Технолошки аспекат се бави производњом и минијатуризацијом уређаја, који се састоје од микроканала или чак наноканала. За разлику од минијатуризације интегрисаних кола и микроелектромеханичких уређаја, код којих се цео уређај скалира, за микрофлуидику важно је само скалирање простора кроз који се флуид креће. Осетљивост уређаја је одређена најмањом количином микрофлуида који се може користити. Фабрикација микрофлуидних уређаја још је далеко од масовне производње за којом већ постоји потреба. Актуелне технологије фабрикације су прилагођене лабораторијским прототиповима или имају незадовољавајуће карактеристике за биомедицинску примену. Развој нове технологије која може да помири масовну производњу и биомедицинску компатибилност представља главну нит ове тезе. Примена микрофлуидних уређаја у биомедицини са акцентом на испитивање материјала као и персонализацију и прецизно дозирање терапије једна је од најактуелнијих тема данашњице. Код прецизног дозирања једну од важнијих улога игра микро мешач односно микромиксер, јер од његове прецизности зависи прецизност и агилност читавог система. Конструкција микро мешача је актуелна тема у данашњим истраживачким лабораторијама.

Mikrofluidika predstavlja nauku i tehnologiju. Naučni aspekat se bavi ponašanjem fluida u kanalima reda mikrometra jer se ponašanje fluida na mikroskali drastično razlikuje u odnosu na makroskalu. Tehnološki aspekat se bavi proizvodnjom i minijaturizacijom uređaja, koji se sastoje od mikrokanala ili čak nanokanala. Za razliku od minijaturizacije integrisanih kola i mikroelektromehaničkih uređaja, kod kojih se ceo uređaj skalira, za mikrofluidiku važno je samo skaliranje prostora kroz koji se fluid kreće. Osetljivost uređaja je određena najmanjom količinom mikrofluida koji se može koristiti. Fabrikacija mikrofluidnih uređaja još je daleko od masovne proizvodnje za kojom već postoji potreba. Aktuelne tehnologije fabrikacije su prilagođene laboratorijskim prototipovima ili imaju nezadovoljavajuće karakteristike za biomedicinsku primenu. Razvoj nove tehnologije koja može da pomiri masovnu proizvodnju i biomedicinsku kompatibilnost predstavlja glavnu nit ove teze. Primena mikrofluidnih uređaja u biomedicini sa akcentom na ispitivanje materijala kao i personalizaciju i precizno doziranje terapije jedna je od najaktuelnijih tema današnjice. Kod preciznog doziranja jednu od važnijih uloga igra mikro mešač odnosno mikromikser, jer od njegove preciznosti zavisi preciznost i agilnost čitavog sistema. Konstrukcija mikro mešača je aktuelna tema u današnjim istraživačkim laboratorijama.