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Rossetto, Nicola (2013) Materials and methods for modular microfluidic devices. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

This thesis work concerns the investigation of materials and methods that can be applied to the realization of microfluidic devices (MFDs). In particular, the attention is placed on modular MFDs, as opposed to fully integrated ones. The reasons behind this choice are given in detail in Section 1.2 of this work, but they can be here summarized in the fact that while integrated MFDs offer great advantages in terms of portability, modular devices are more versatile, and so particularly well suited for research applications.
The first part of the work here reported describes the microfabrication techniques employed for the realization of single-function microfluidic modules. Devices have been fabricated through PDMS replica molding from SU-8 masters. Masters have been in turn realized through masked UV-lithography or one- or two-photon direct laser writing, depending on the resolution requirements. The replica molding method is a very fast and efficient way to realize MFDs, but suffers from some limitations in the structure shapes that can be successfully replicated. In light of this, a photopolymerizable hybrid organic/inorganic sol-gel blend is proposed and tested as alternative material for MFDs fabrication. The characterization results reveal that this material is biocompatible and features better mechanical properties than PDMS, but structures with more than one dimension exceeding a few micrometers tend to crack during fabrication, making this blend unusable as bulk material. Still, this material could be efficiently employed to fabricate sub-structuration inside PDMS channels.
Following this investigation on materials, a microfluidic mixing module is proposed and tested. Since laminar flow conditions dominate inside microchannels, efficient mixing in MFDs require the use of specifically designed mixers. The proposed module makes use of obstructions inside a microchannel to perturb the laminar flow and thus enhance mixing of two species. The most efficient geometries have been selected with the aid of numerical simulations, and two promising layouts have been fabricated and experimentally tested by measuring the dilution of a fluorophore (mixing between a fluorophore solution and pure solvent) through confocal fluorescence microscopy.
Thirdly, the fabrication and characterization of an optofluidic light switching module is reported. This device employs a water/air segmented flow generated by a T-junction to alternatively transmit or total-reflect a laser beam. This deflection is proved to be periodical, and its frequency can be varied nonlinearly by adjusting the injection flow rates of air and water. The duty cycle of the module is also characterized, and a method to modulate it by increasing the water temperature is proposed and verified.
Finally, a number of attempts to generate a nanoporous, low refractive index PDMS are described. The identification of an efficient procedure to fabricate this kind of material would lead to the possibility of using common microfluidic channels as water-core waveguides. To date, these attempts have not been totally successful, but critical points are identified, and viable strategies for future works on the subject are proposed.

Abstract (italiano)

Questo lavoro di tesi tratta dello studio di materiali e metodi che possono essere applicati alla realizzazione di dispositivi microfluidici (DMF). In particolare l’attenzione è rivolta ai dispositivi modulari, piuttosto che a quelli altamente integrati. Le ragioni dietro questa scelta sono spiegate in dettaglio nella Sezione 1.2 di questa tesi, ma possono essere qui sintetizzate nel fatto che anche se i DMF integrati offrono grandi vantaggi in termini di dimensioni finali, i dispositivi modulari sono più versatili, e quindi particolarmente utili per applicazioni nel campo della ricerca.
La prima parte del lavoro qui riportato descrive le tecniche di microfabbricazione utilizzate per la realizzazione di moduli microfluidici monofunzionali. I dispositivi sono stati realizzati per replica molding in PDMS a partire da master in SU-8. I master sono stati a loro volta fabbricati tramite litografia UV con maschera oppure per scrittura laser diretta ad uno o due fotoni, a seconda dei requisiti di risoluzione. Il replica molding è un metodo molto rapido ed efficiente per realizzare DMF, ma presenta alcuni limiti per quanto riguarda la forma delle strutture che è possibile replicare con successo. Alla luce di questo, un sol-gel fotopolimerizzabile ibrido organico/inorganico viene qui proposto e testato come materiale alternativo per la fabbricazione di DMF. I risultati della caratterizzazione rivelano che questo materiale è biocompatibile e presenta proprietà meccaniche migliori di quelle del PDMS, ma strutture con più di una dimensione eccedente i pochi micrometri tendono a sviluppare cricche, cosa che impedisce l’utilizzo di questo sol-gel come materiale massivo. Ciononostante, questo sol-gel potrebbe venir efficacemente impiegato per la realizzazione di sottostrutturazioni all’interno di canali microfluidici.
Dopo questo studio sui materiali, un modulo microfluidico per il mescolamento è proposto e testato. Dato che le condizioni di flusso laminare sono dominanti all’interno dei microcanali, per ottenere un mescolamento efficiente in un DMF è necessario includere nel dispositivo un miscelatore specificatamente progettato. Il modulo proposto utilizza delle ostruzioni all’interno del microcanale per perturbare il flusso laminare e quindi favorire il mescolamento. Con l’aiuto di alcune simulazioni numeriche, le geometrie più efficienti sono state individuate, e due layout particolarmente promettenti sono stati realizzati e caratterizzati sperimentalmente misurando la diluizione di un fluoroforo (mescolamento tra una soluzione del fluoroforo e puro solvente) attraverso la microscopia confocale di fluorescenza.
A seguire, viene riportata la fabbricazione e caratterizzazione di un modulo optofluidico per la deflessione della luce. Questo dispositivo utilizza un flusso segmentato acqua/aria generato da una giunzione a T per trasmettere o riflettere (per riflessione totale interna) alternativamente un fascio laser. Questa alternanza è periodica, e la sua frequenza può essere controllata variando la portata dei flussi iniettati di aria e acqua. Inoltre, il duty cycle del modulo è stato caratterizzato, e viene proposto e verificato un metodo per modularlo attraverso un aumento della temperatura dell’acqua.
Infine, vengono descritti alcuni tentativi di generare un PDMS nanoporoso con basso indice di rifrazione. La messa a punto di una procedura efficiente per la fabbricazione di questo genere di materiale porterebbe alla possibilità di usare i classici canali microfluidici come guide d’onda. Al momento questi tentativi hanno avuto solo parziale successo, ma i maggiori punti di criticità sono stati identificati, e vengono proposte alcune strategie per il loro futuro superamento.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Ferrante, Camilla
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 25 > Scuole 25 > SCIENZA ED INGEGNERIA DEI MATERIALI
Data di deposito della tesi:28 Gennaio 2013
Anno di Pubblicazione:28 Gennaio 2013
Parole chiave (italiano / inglese):microfluidics, optofluidics, microfabrication
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 03 - Scienze chimiche > CHIM/02 Chimica fisica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Scienze Chimiche
Codice ID:5356
Depositato il:10 Ott 2013 14:29
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Bibliografia

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