< Terug naar vorige pagina

Project

Computational design and engineering of fluid flow in 3D printed microfluidic lab-on-chips

Vroegtijdige diagnose van infectieziekten is cruciaal om patiënten doeltreffend te kunnen behandelen en de genezingskansen te vergroten. Diagnostische analyses worden echter meestal uitgevoerd in een gecentraliseerde omgeving, wat een tijdige identificatie van de ziekte en de daaropvolgende behandeling belemmert. Dit geldt in het bijzonder voor ontwikkelingslanden waar weinig analytische laboratoria bestaan die bovendien voor de meeste patiënten vaak moeilijk te bereiken zijn. Daarom werken de instellingen voor gezondheidszorg en onderzoeksinstellingen aan het ontwikkelen van diagnostische tests die naast of in de buurt van de patiënt kunnen worden uitgevoerd, de zogenaamde point-of-care (POC) testen. Door analytische laboratoriumtechnieken te miniaturiseren en integreren op kleine microfluïdische chips, of lab-on-chips (LOCs), kunnen zulke POC tests worden ontworpen. LOCs die bedoeld zijn voor POC diagnoses, moeten aan bepaalde eisen voldoen, met name gebruiksvriendelijk, draagbaar en autonoom zijn. Poreuze materialen zijn veelbelovende substraten voor de ontwikkeling van zelfgestuurde LOCs omdat de capillariteit van de poriën kan gebruikt worden als aandrijfkracht voor de actuatie van vloeistofstromen zonder externe krachtbronnen te vereisen. Ondanks de duidelijke voordelen worden autonome, of passieve, microfluïdische LOCs nog zelden gebruikt, zowel wegens de beperkingen van de meest gebruikelijke fabricagetechnieken, als wegens het tijdrovende ontwerpproces dat meestal uit een trial-and- xii error methode bestaat. Binnen deze context was de algemene doelstelling van deze doctoraatsthesis het ontwikkelen van een methodologie om computeraided-design (CAD) van powder-bed 3D-geprinte poreuze passieve microfluïdische LOCs, mogelijk te maken. Meer specifiek identificeerden we in dit doctoraatswerk drie deeldoelstellingen: i) het onderzoeken van de materiaaleigenschappen van powder-bed 3D-geprinte monolithische poreuze microfluïdische platforms, ii) het bestuderen van enkel- en meerfasige vloeistofstroming in de poriën van de 3D-geprinte objecten en iii) het implementeren van alle verworven materiaal- en stroomeigenschappen in een multischaalmodel van capillair transport, waardoor computergebaseerd ontwerp van poreuze microfluïdische kanalen mogelijk wordt. Het eerste deel van deze thesis geeft uitleg over de 3D-printtechniek die werd benut om de microfluïdische platforms te fabriceren die in de rest van het proefschrift worden gebruikt. Na het 3D-printen, werden de poreuze print-outs gekarakteriseerd door middel van niet-destructieve X-ray microcomputed tomography (µCT). Door 3D-beelden met hoge resolutie en verschillende beeldverwerkingstechnieken te combineren, werden de (micro)structurele en chemische eigenschappen van de poreuze 3D-geprinte objecten bepaald (bv. poriegrootteverdeling en contacthoek). Bovendien werden iteratieve reconstructiealgoritmen en dynamische µCT-beelden gebruikt om de werking van een 3D hydraulische triggerklep te visualiseren. De ontwikkelde protocollen voor beeldvorming en beeldanalyse maakten een volledig geautomatiseerde karakterisering van het 3D-geprinte materiaal mogelijk en werden ook in andere secties van dit werk benut. In het tweede deel van dit proefschrift werden de poriën, gesegmenteerd volgens de eerder ontwikkelde workflow voor beeldverwerking, gebruikt om het poriënnetwerk van de 3D-geprinte platforms te verkrijgen. Op dit poriënnetwerk werd eerst eenfasige stroming gesimuleerd door het effect van de hydraulische weerstand van elke porie en porieverbinding te analyseren. Uit de simulatieresultaten werd vervolgens de verzadigde permeabiliteit van de print-outs berekend. Deze analyse toonde aan dat het 3D-geprinte materiaal anisotroop is, waarbij de richting waarin het poeder werd verspreid en geëgaliseerd de laagste weerstand biedt aan vloeistofstroom. Ten tweede werd het poriënnetwerk gebruikt om spontaan capillair transport op porieschaal te simuleren en werd het voorspelde capillaire gedrag gevalideerd door middel van in-situ dynamische synchrotron µCT. In zowel de experimenten als de simulaties stelden we vast dat de capillaire stroming een preferentiële richting heeft. Dit gedrag bleek een gevolg te zijn van de wijziging van de oppervlakte-eigenschappen van het materiaal (bv. de contacthoek) binnen de poreuze kanalen, wat zowel tijdens het 3D-printen als tijdens de daaropvolgende droogprocessen plaatsvindt. Ten slotte werden in het laatste deel van dit onderzoek effectieve materiaal- en stromingsparameters, bepaald uit de poriënnetwerksimulaties, gebruikt om een multischaalmodel van capillair transport, gebaseerd op de oplossing van de Richards vergelijking, in de 3D-geprinte kanalen te ontwikkelen. Dit model gaf inzicht in de evolutie van de vloeistofverzadiging in de tijd in elk punt van een poreus kanaal en kan worden gebruikt om de voortgang van het vloeistoffront te voorspellen. Door gebruik te maken van zowel dit computermodel als van dynamische µCT-beeldvorming van capillaire stroom in de kanalen, werd opnieuw het effect aangetoond van de oppervlaktewijzigingen van de poreuze kanalen tijdens en na het 3Dprinten. Het multischaalmodel werd met succes toegepast op kanalen van verschillende groottes en geometrieën, wat een computergebaseerd ontwerp van poreuze microfluïdische LOCs mogelijk maakt. Het onderzoek beschreven in dit proefschrift toonde het potentieel aan van multischaalmodellen om het ontwerpproces van autonoom poreuze LOC's te vergemakkelijken. Ondanks de behaalde resultaten is verder onderzoek noodzakelijk om i) alternatieve poreuze materialen te bestuderen die relevant zijn voor autonome microfluïdica, ii) computermodellering van massatransport te integreren om bioassays te kunnen simuleren en iii) snelle prototyping te bieden door middel van reduced order modelling. Ten slotte moet toekomstig onderzoek ook gericht zijn op het verminderen van de oppervlaktewijzigingen in de 3D-geprinte kanalen, bijvoorbeeld door hydrofiele inkten te gebruiken om de chemische eigenschappen van het kanaal te homogeniseren

Datum:1 nov 2016 →  31 jan 2022
Trefwoorden:computer-aided engineering, capillary flow, microfluidics, Multiscale modelling, Porous media
Disciplines:Andere chemie, Voeding en dieetkunde, Productie van landbouwdieren, Levensmiddelenwetenschappen en (bio)technologie, Analytische chemie, Macromoleculaire en materiaalchemie, Landbouw, land- en landbouwbedrijfsbeheer, Biotechnologie voor landbouw, bosbouw, visserij en aanverwante wetenschappen, Visserij
Project type:PhD project