Light-addressable valves based on responsive hydrogels for lab-on-chip applications

Abstract

The aim to improve analytical techniques typically used in biotechnology or medicine, among others like forensics, environmental analysis and pharmacy, has led to the idea of developing lab-on-chip (LoC) devices. These devices are designated to handle process steps, which are otherwise executed by a chemist or biologist in a laboratory, automated and integrated altogether in one single system on chip level. To achieve this, a significant miniaturization of all elements is essential. However, these small devices would enable the possibility to transfer e.g., diagnostics and therapy away from centralized hospitals into the homes of the patients (point-of-care medicine) or from centralized laboratories into mobile devices. Due to the large number of possible functionalities such as flow control, detection, mixing and separation of analytes and drug release, LoC systems have to comprise a variety of different elements including mechanical, electronic and fluidic units. For instance, microactuators are required for liquid handling of the applied fluids to guarantee accurate and reliable operation of LoC systems. Especially valves need to be integrated for active flow control within the LoC system. However, simply miniaturizing conventional large-scale components like valves leads to drawbacks such as high complexity, inflexibility and high production costs. Therefore, there is an increasing demand of novel and easy to use concepts for microvalves. This thesis focuses on the development of microvalves based on temperatureresponsive hydrogels, a special kind of polymers that can be controlled precisely by light illumination. The polymers based on the monomer N-isopropylacrylamide exhibit a discontinuous phase transition for exceeding their so called lower critical solution temperature (LCST). To enable the stimulation with light, graphene oxide (GO) nanoparticles are integrated into the polymer network of the hydrogels which are transparent as a pure material. For this purpose, GO dispersions are synthesized via a modified Hummers method and characterized regarding their physical and optical properties. The hydrogels are fabricated by a photopolymerization technique applying a self-developed exposure setup. The dependence of the LCST of these hydrogels is investigated as a function of GO concentration by differential scanning calorimetry. Because the microvalves are supposed to be applied in cell culture environments, the influence of hydrogel contact with culture medium on the growth rate of chinese hamster ovary cells is investigated. Within this work, infrared (IR) thermography is applied to obtain a better insight into the optothermal heating process and relevant parameters which affect this stimulation process. Furthermore, IR thermography is used to investigate the spatial resolution for the stimulation process including an analytical mathematical model for describing the hydrogel behavior. To characterize the valve functionality, a test setup is developed and for the automation of the measurement progression a state-machine-based program is implemented in LabVIEW. The setup is applied to determine performance characteristics such as the maximum pressure resistance, the opening and the sealing time constants . In addition, the regulation of the flow rate to intermediate values by varying the illumination conditions is evaluated and tested. Furthermore, a combination of two valves is established to demonstrate the possibility of switching between two channels subsequently or opening them at the same time. This directing of the flow path is applied to control the input of an amperometric biosensor in order to give a proof-of-concept experiment for a sensing application similar to the usage in a complete LoC system. The results demonstrate the potential of the developed microvalves as reliable, easy-operable and cost-effective solution for LoC devices. The stimulation with light increases the flexibility as well as the spatial resolution for the actuation process among hydrogel-based actuators giving rise to new possibilities like different operation modes such as modulated operation or setting intermidiate flow values.

Lab-on-chip (LoC) apparatuur zal een grote rol spelen om huidige analysetechnieken in de biotechnologie of geneeskunde verder te kunnen verbeteren. De LoC systemen zullen de mogelijkheid bieden om diagnoses of therapieën, nu meestal uitgevoerd in gecentraliseerde ziekenhuizen, te vertalen naar de thuissituatie van de patiënten (point-of-care geneeskunde). Deze LoC systemen kunnen namelijk de processtappen, die anders door een chemicus of bioloog in een laboratorium worden uitgevoerd, volledig automatiseren. Dit zal leiden dat deze analyse autonoom kunnen worden uitgevoerd. Om dit te bereiken, is er een significante miniaturisatie nodig van alle onderdelen die nodig zijn om zo een analyse om chip niveau uit te voeren. Deze verschillende onderdelen omvatten structuren met functionaliteiten zoals debietregeling, detectie, menging en scheiding van analyten en medicijnen. Dit betekent dat zo een LoC-systemen een verscheidenheid aan elementen moet omvatten, waaronder mechanische en/of elektronische onderdelen. Zo kunnen microactuators instaan voor vloeistof handelingen van de aangebrachte analyten om een nauwkeurige en betrouwbare werking van het LoC-systeem te garanderen. Het simpelweg miniaturiseren van conventionele grootschalige componenten zoals kleppen leidt echter tot nadelen zoals een hoge complexiteit, inflexibiliteit en hoge productiekosten. Daarom is er een toenemende vraag naar nieuwe en gemakkelijk te gebruiken concepten voor deze microactuators of micro-kleppen. Dit proefschrift richt zich op de ontwikkeling van dergelijke micro-kleppen op basis van temperatuurgevoelige hydrogels die optisch nauwkeurig kunnen worden aangestuurd. De polymeren op basis van het monomeer N-isopropylacrylamide vertonen een discontinue fase-overgang voor het overschrijden van hun zogenaamde lagere kritische oplossingstemperatuur (LCST). Om vervolgens de stimulatie met licht mogelijk te maken, zijn grafeenoxide (GO) nanodeeltjes geïntegreerd in het polymeernetwerk van de hydrogels. Om te zorgen dat het materiaal transparant blijft werden er GO-dispersies gesynthetiseerd via een gemodificeerde Hummersmethode. Deze werden vervolgens gekarakteriseerd met betrekking tot hun fysieke en optische eigenschappen om tot de juiste verhoudingen te komen. De hydrogels worden gefabriceerd door een foto polymerisatietechniek waarvoor een zelf ontwikkelde optische opstelling werd gebouwd. De invloed van de LCST van deze hydrogels wordt onderzocht als functie van GO-concentratie aan de hand van differentiële scanning calorimetrie. Aangezien de micro-kleppen zullen ingezet worden in celkweek omgevingen, wordt de invloed van hydrogel in contact met kweekmedium op de groeisnelheid van eierstok cellen van de chinese hamsters onderzocht. Verder wordt er infrarood (IR) thermografie toegepast om een beter inzicht te krijgen in het opto-thermisch verwarmingsproces en de invloed van relevante parameters die dit stimulatie proces beïnvloeden. Verder wordt IR-thermografie gebruikt om de ruimtelijke resolutie voor het stimulatie proces te onderzoeken, inclusief een analytisch wiskundig model voor het beschrijven van het hydrogel gedrag. Om de functionaliteit van de kleppen te karakteriseren, is een testopstelling ontwikkeld waarvan de automatisering gerealiseerd werd met LabVIEW. Deze opstelling wordt gebruikt om functionele parameters te onderzoeken, zoals de maximale drukweerstand, de opening en de afdichtingstijdconstanten. Verder kon er met behulp van een regelalgoritme op basis van de lichtintensiteit een gewenste stroomsnelheid worden ingesteld. Daarnaast is er ook een combinatie van twee kleppen gedemonstreerd om tussen twee vloeistofkanalen te schakelen of ze simultaan te openen om menging mogelijk te maken. Dit kleppen systeen werd vervolgens ook als proof-of-concept gebruikt om de toevoer van vloeistoffen te regelen van een amperometrische biosensor. De resultaten van dit proefschrift tonen het potentieel van de micro-kleppen aan als een betrouwbare, gemakkelijk te bedienen en kosteneffectieve oplossing voor LoC systemen. De stimulatie met licht verhoogt de flexibiliteit en de ruimtelijke resolutie voor het activeringsproces waardoor nieuwe mogelijkheden ontstaan.