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

espanolEl presente trabajo esta centrado en la investigacion de una nueva plataforma microfluidica autonoma para proposito general fabricada en PCBMEMS. En la vista de la proliferacion en los ultimos anos de los sistemas microfluidicos Lab on Chip (LoC) y la multitud de aplicaciones en las que tienen cabida, surge la necesidad de creacion de un sistema portable, autonomo y con una fabricacion orientada hacia la produccion masiva. En este contexto, se presenta el trabajo de esta tesis dentro de los proyectos de investigacion de financiacion 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 introduccion donde se explican los motivos para el desarrollo de este trabajo y cuales son los objetivos especificos que se quieren cumplir. Seguidamente, se hace un breve estudio del arte. En este estudio se presenta la tecnologia MEMS, los principios basicos de la microfluidica, que son los fundamentos de los sistemas LOCs y por ultimo, se detalla un estudio de los principales elementos activos en la literatura que componen una plataforma microfluidica. Despues de la introduccion y revision literaria del marco de esta tesis, se explican los resultados obtenidos. Esta tesis esta desarrollada en dos fases principales: el desarrollo de todos los componentes que hacen un lab on chip autonomo de proposito general y el desarrollo de una tecnologia basada en estandares para una produccion masiva. En la primera fase se detallan los principales componentes que forman parte de una plataforma autonoma multifuncion: microvalvula, sistema de impulsion, circuito microfluidico y plataforma de sensado. Todos estos componentes son disenados como un prototipo y estan fabricados en SU-8 y PCBMEMS. El PCB permanece como sustrato y los canales y camaras microfluidicas estan fabricados en SU-8. La microvalvula disenada presenta una activacion termoelectrica, es de un solo uso y tiene una rapida activacion y un consumo bajo de energia. Ademas, el diseno esta pensado para ser altamente integrable en una plataforma microfluidica. El siguiente componente descrito es una sistema de impulsion basado en camaras presurizadas, este sistema esta integrado con la microvalvula y su principal caracteristica es la activacion en el momento de uso, asegurando la ausencia de perdidas. Para probar la validez de los componentes anteriores, se desarrolla un circuito microfluidico de proposito general. El circuito esta disenado para mezclar dos muestras y transportarlas a una camara de deteccion. Finalmente, se desarrolla una plataforma para la deteccion de glucosa, integrable en el circuito microfluidico. Una vez desarrollado el prototipo, el siguiente objetivo de la tesis es el paso de la tecnologia de prototipado hacia una de produccion masiva. Para ello los materiales utilizados son el PMMA y el PCB. La tecnologia PCBMEMS es conocida por su versatilidad para la integracion de la electronica, por lo que lo hace idoneo para la conexion con el exterior. El PMMA es un material tambien muy extendido en las aplicaciones microfluidicas, debido a su transparencia, bio compatibilidad y su facil modelado. La union de los dos componentes representa un desafio en el desarrollo de la tesis, debido a sus diferentes propiedades quimicas. El proceso de fabricacion se desarrolla integrando la microvalvula y el sistema de impulsion, como partes de una plataforma microfluidica. Para terminar, se ha disenado un pequeno circuito microfluidico para probar la viabilidad del sistema propuesto hacia una tecnologia de gran escala. Finalmente, se exponen las conclusiones de la investigacion, las posibles lineas futuras de este trabajo y los apendices que complementan el trabajo de la tesis. EnglishThe 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.