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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-83744
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8374/


Rupp, Jochen

Multilayer pressure driven microfluidic platform - µFLATLab

Druckgetriebene Multilagen Mikrofluidikplatform - µFLATLab

Dokument1.pdf (4.343 KB) (md5sum: 854bcdb447723d5df0c71eb92ea63ce0)

Kurzfassung in Englisch

In this work a new pressure driven microfluidic platform (µFLATLab) is presented, consisting of a lab on a chip device and a processing instrument for functional control. The disposable lab on a chip device consists of a multilayer polymer stack made of structured polycarbonate (PC) bulk welded to a thermoplastic elastomer membrane (TPE). Fluid management is realized by integrated active membrane microvalves with a high sealing quality and short switching times in the range of 100 ms. The concept of a sealing membrane works reliable and independent from liquid viscosity or surface tension. Membrane micropumps with a broad controllable flow rate from 0.1 µl∙s-1 to 55.8 µl∙s-1 are realized for liquid transportation and circulation for mixing discrete liquid plugs. Compared to microfluidic platforms based on polydimethylsiloxane (PDMS) the working principle of this platform is characterized by a comparably low actuation pressure and a remarkable level of design flexibility. A full three dimensional fluidic network is created by lasercutting through the membrane layer. Basic operations for microfluidic applications such as valving, pumping and mixing can be realized using this lab on a chip device concept. In addition a liquid reagent storage method is implemented, where a liquid reagent is tightly sealed without any additional production process step. By applying pressure on the storage chamber the seal is broken and the liquid reagent is pushed into the fluidic network. The used materials PC and TPE can be manufactured and structured by mass production processes like injection molding and extrusion. A cost-efficient and production chain consistent way of manufacturing a disposable lab-on-a-chip device is achieved by using laserwelding as a joining technology.
A transportable processing instrument for the control and automation of the lab on a chip device forms the second part of the microfluidic platform. It includes a carrier for the lab-on-a-chip device, eight fluidic and twelve pneumatic interconnections to the macro world for fluid management, two resistive heaters, fan air coolers and temperature sensors for thermal management. Twelve pilot valves are independently controlled for the actuation of the integrated microvalves. Heating rates of 4 K∙s-1 and cooling rates of -1.3 K∙s-1 enable fast thermal cycling. This portable processing instrument with the size of a shoe box has a graphical user interface (GUI) for programming parameters as temperature, duration and pressure switch for each assay step.
With this microfluidic platform, a lab-on-a-chip device was developed for the processing of a diagnostic example assay. The assay detects the resistance of Escherichia coli (E coli) against fluoroquinolone-based antibiotics. The required sub functions include the accumulation of E. coli bacteria directly from a 10 ml sample, their thermal lysis, a DNA amplification step using a polymerase chain reaction (PCR), before detection of the resistance information with a DNA microarray. An integrated silica filter is used for the accumulation of bacteria out of a 10 ml sample with a filter efficiency of over 90 %. The processable number of bacteria range from 104 to 107. The bacteria lysis is made as an initial thermal step at 95°C before the PCR. The 31 amplification cycles of the PCR are performed in less than 2 h with the processing instrument. The reaction time for the detection microarray could be accelerated from 60 min down to 30 min using an integrated micropump as an active circular mixer. At the same time the signal-to-noise-ratio could be increased. This fully automatable assay for the example application takes only 3 h from sample input to result. A diagnostic relevant bacteria concentration threshold of 104 bac/10 ml could be proven to be detected with the assay integrated on chip. The concept of this cost-efficient mass producible microfluidic platform promises a broad range of future applications with the benefit of a robust, fast and reproducible results.


Kurzfassung in Deutsch

In dieser Arbeit wird eine neue, druckgetriebene mikrofluidische Plattform (µFLATLab) vorgestellt, bestehend aus einer lab-on-a-chip Einwegkartusche und einem Ansteuergerät für die Funktionskontrolle. Die lab-on-a-chip Einwegkartusche ist ein verschweißter Mehrlagenaufbau bestehend aus strukturiertem Polykarbonat (PC) und einer Membran aus thermoplastischem Elastomer (TPE). Für das Flüssigkeitsmanagement wurden integrierte aktive Mikroventile entwickelt, deren Schaltzeiten im Bereich von 100 ms liegen. Die Verwendung einer elastischen Membran als Dichtung führt zu einer zuverlässigen Ventilfunktion, unabhängig von den Benetzungseigenschaften oder der Viskosität der verwendeten Flüssigkeit. Mit Hilfe einer Mikropumpe wurden der Flüssigkeitstransport und die Zirkulation von diskreten Flüssigkeitsplugs umgesetzt. Dieses Bauelement hat einen weiten Dynamikbereich von 0.1 µl∙s-1 bis 55.8 µl∙s-1. Verglichen mit ähnlichen PDMS basierten Plattformen, zeichnet sich die hier vorgestellte Plattform durch einen vergleichsweiße niedrigen Operationsdruck sowie eine außergewöhnliche Designfreiheit aus. Diese Designfreiheit wird dadurch erreicht, dass die TPE Membran lokal geöffnet werden kann. Dadurch wird ein vollständiges, dreidimensionales fluidisches Netzwerk möglich. Die mikrofluidischen Grundfunktionen Schalten, Pumpen und Mischen werden von diesem lab on a chip Konzept abgedeckt. Zusätzlich bietet dieses spezielle Aufbauprinzip die Möglichkeit, flüssige Reagenzien ohne zusätzlichen Produktionsschritt auf der lab on a chip Kartusche versiegelt vorzulagern. Das flüssige Reagenz wird dann zum Entleeren unter Druck gesetzt, sodass eine Sollbruchstelle bricht und der Inhalt des Reservoirs fast vollständig in das fluidische Netzwerk entleert wird. Die verwendeten Materialien PC und TPE sind mit Hochdurchsatzprozessen, wie Spritzgießen und Extrudieren herstellbar. Eine kosteneffiziente und konsistente Produktionskette für die Herstellung einer Wegwerfkartusche wird dadurch erreicht, dass Laserdurchstrahlschweißen als Fügetechnik verwendet wurde.
Die Plattform wird komplettiert durch ein transportables Ansteuergerät für die Automatisierung der Funktionen der lab on a chip Kartusche. Dieses Gerät besteht aus einer Trägerplatte mit einer Vorrichtung für das Einlegen der lab-on-a-chip Kartusche, acht fluidischen und pneumatischen Mikro-zu-Makro-Verbindungen für die fluidische Ansteuerung, zwei Widerstandsheizern mit zusätzlichen Luftkühlern, sowie Thermoelementen für die Temperaturregelung. Somit ist es möglich, bis zu zwölf Pilotventile unabhängig anzusteuern, um die integrierten Mikroventile zu schalten. Erzielbare Heizraten von 4 K∙s-1 bzw. Kühlraten von -1.3 K∙s-1 erlauben kurze Temperaturzyklen. Dieses portable Ansteuergerät hat ungefähr die Größe eines Schuhkartons und verfügt über eine grafische Bedienoberfläche für die Programmierung der Parameter Temperatur, Dauer, Druckniveau und der Schaltlogik für die einzelnen Assayschritte. Diese mikrofluidische Plattform wurde dazu verwendet, eine automatisierte Prozessierung eines Bakterienschnelltest durchzuführen. Der diagnostische Test detektiert Resistenzen von Escherichia coli (E. coli) gegen Antibiotika, die auf Fluorochinolonen basieren. Die dazu notwendigen Einzelfunktionen beinhalten die Anreicherung von E. coli Bakterien direkt aus einer Probe, deren thermische Lyse, das Kopieren von DNA mittels einer polymerase Kettenreaktion (PCR) und die anschließende Auswertung der Resistenzinformation auf einem DNA Mikroarray. Ein integrierter Silikafilter wurde benutzt, um Bakterien aus einer 10 ml Probe mit einer Effizienz von über 90 % zu filtrieren. Der dabei untersuchte Bereich an Bakterienkonzentration reichte von 104 bis 107 Bakterien in 10 ml Probe. Die Bakterien werden anschließend auf dem Silikafilter bei 95 °C thermisch lysiert. Die anschließenden 31 Zyklen der PCR dauern mit diesem Aufbau weniger als 2 h. Mit Hilfe einer integrierten Mikropumpe als aktiver Mischer konnte die Zeit für die Detektionsreaktion des Mikroarrays von 60 min auf 30 min verkürzt werden, wobei zusätzlich eine Verbesserung des Signal-Rausch Verhältnisses erreicht wurde. Die Gesamtzeit für diesen voll automatisierbaren Test von Probeneingabe bis Ergebnis beträgt gerade einmal drei Stunden. Es konnte gezeigt werden, dass eine diagnostisch relevante Schwelle von 104 bak/10 ml detektiert werden kann. Das Konzept einer kosteneffizienten und massenproduzierbaren mikrofluidischen Plattform bietet einen breiten Anwendungsbereich für weitere Applikationen. Die vollständige Automatisierbarkeit gewährleistet eine einfache Bedienbarkeit sowie schnelle und reproduzierbare Ergebnisse.


SWD-Schlagwörter: Mikrosystemtechnik , Mikrofluidik , MEMS , Microarray
Freie Schlagwörter (englisch): µTAS , Thermoplastic Elastomer , TPE
PACS Klassifikation Fluid flow , MEMS , biotechnol , Fluid mech
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Zengerle, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 25.01.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 05.12.2011
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