La tecnologia Lab on a Chip (LOC) ha experimentat un extraordinari creixement en les dues últimes dècades, gràcies al desenvolupament de noves tecnologies de microfabricació i al coneixement més profund dels fenòmens físics dominants a la microescala. Els sistemes LOC presenten diversos avantatges sobre els sistemes macroscòpics anàlegs: transport d'energia i matèria més eficients, miniaturització, automatització, integració, alta densitat d'informació, entre d'altres. Aquests avantatges han cridat l'atenció d'una àmplia comunitat científica i tecnològica, relacionada amb camps d'aplicació tan diferents com la química, la biologia, la medicina i la nanotecnologia. Tanmateix, el camp encara es troba en una fase de desenvolupament, tal com demostra el limitat nombre d'aplicacions LOC al mercat. És necessari encarar diferents reptes per a superar aquesta barrera. Per una banda, els sistemes LOC han d'integrar totes les operacions necessàries per a cada aplicació en qüestió, i al mateix temps, proporcionar una interfície simple per als usuaris. A més, els sistemes LOC han de superar significativament les prestacions dels seus anàlegs macroscòpics per a justificar la inversió en una nova tecnologia. Per altra banda, els materials i les tecnologies de fabricació han de proporcionar la manera de produir tals dispositius, tant a escala de prototipat com de fabricació en massa. Per tant, en desenvolupar sistemes LOC cal tenir en compte l'escalabilitat dels processos de fabricació, i així, abordar l'obstacle que suposa la transició a fabricació en massa. Aquesta tesi se centra en el desenvolupament de dispositius LOC emprant processos de fabricació escalables basats en una aproximació multicapa. Aquests sistemes LOC han estat destinats a tres aplicacions ben diferents, exemples de com camps tan allunyats poden beneficiar-se d'aquesta tecnologia. Els requeriments específics de cada aplicació han determinat la selecció del material més adient i la integració dels elements necessaris al sistema LOC. El primer cas consisteix en el desenvolupament d'un dispositiu LOC fabricat amb Co-polímer d'Olefina Cíclica (COC), així com un actuador magnètic per al control i la manipulació de partícules magnètiques dins el dispositiu. Aquest sistema analític va ésser emprat per a la detecció del bacteri patogen E.~coli O157:H7, demostrant una significant millora de la sensibilitat i una gran facilitat d'operació. El segon exemple també es basa en un dispositiu de COC, en aquest cas, per a retenir i madurar oòcits. Aquest sistema va demostrar la seva idoneïtat per a aplicacions de reproducció assistida. Així mateix, la integració d'escalfadors transparents en aquests sistemes assenta la base per al desenvolupament de plataformes de cultiu/fertilització totalment independents. En ambdós exemples, el COC proporciona avantages significatives com ara alta transparència, baixa autofluorescència i biocompatibilitat. L'últim cas consisteix en el desenvolupament de microreactors fabricats amb ceràmiques de sinterització a baixa temperatura (LTCC, per les seves sigles en anglès). Aquests varen ser destinats a la intensificació de processos sintètics de nanomaterials dissenyats per a aplicacions analítiques. Aquest substrat i la seva tecnologia de fabricació associada permeten la integració monolítica d'escalfadors, estructures complexes 3D i finestres òptiques. Es varen sintetizar nanopartícules de Magnetita i Carbon Dots sota dures condicions de reacció, aprofitant l'estabilitat química i estructural del material LTCC. Els resultats presentats en aquesta tesi demostren la versatilitat de la tecnologia LOC i els avantatges que proporciona en un gran ventall d'aplicacions. A més, les metodologies de fabricació desenvolupades podrien ésser potencialment extrapolades a processos de fabricació en massa, fet de gran importància per a la transferència de tecnologia cap a aplicacions comercials i industrials.
Lab on a Chip systems for biochemical analysis, biology and synthesis: towards simple, scalable, microfabrication technologies based on COC and LTCC
Berenguel Alonso, M. (Autor). 14 de jul. 2017
Tesi d’estudis: Tesi doctoral
Tesi d’estudis: Tesi doctoral