< Terug naar vorige pagina
Project
Lab-on-a-chip technologie voor proteïne detectie in bioreactoren.
Lab-on-a-chips</></> en microfluïdische analysesystemen bestaan al meerdan drie decennia. Ze worden toegepast voor medische, milieu- en voedseldiagnostiek en verschijnen in verschillende configuraties en complexiteit. Wat ze allemaal gemeenschappelijk hebben zijn de kleine vloeistofvolumes, die getransporteerd worden in structuren met micrometerdimensies. Een veelbelovende en groeiende subcategorie van deze microfluïdische systemen zijn de meerfasige, druppel-gebaseerde of gesegmenteerde stroomsystemen. Discrete hoeveelheden reagentia worden vervoerd in microfluïdische kanalen, omringd met een onmengbare vloeistof of een gas, wat contaminatie tussen verschillende reactievolumes voorkomt. Deze druppeltjes, meteen typisch reactievolume van 1 microliter tot 1 picoliter, kunnen gebruikt worden als microreactorvaten voor (bio)chemische reacties of voor bioassays zoals ELISA en PCR. Ze kunnen aan hoge frequenties gegenereerd worden, tot 10.000 per seconde, wat vooral veelbelovend is voor toepassingen in een high-throughput</> context.</>
Veel regelmatig toegepastebioassays (bijv. ELISA) gebruiken een vaste drager om de antilichamen of bindingsprobes te verankeren, waardoor de scheiding van de doelmoleculen en de complexe biologische matrices mogelijk wordt. Magnetische nano-of micropartikels zijn uitermate geschikt voor deze taak vanwege hun hoge oppervlakte-volume verhouding en de mogelijkheid om ze magnetisch af te scheiden van de staalmatrix. In die context lijken druppel-gebaseerdegesegmenteerde stroom microfluïdica en de toepassing van magnetische micropartikels een logische en aantrekkelijke combinatie. De integratie van beide technologieën vereist echter een goed begrip van micro-engineering</>, microfluïdica en bioassay-ontwikkeling om tot een succesvol diagnostisch apparaat te komen. Het doel van dit doctoraatsonderzoek was dan ook het bestuderen van de integratie van de manipulaties van magnetischemicropartikels in een druppel-gebaseerde microfluïdische chip gefabriceerd in PDMS.</>
Het eerste deel van dit werk bestond voornamelijk uitcapaciteitsopbouw. Eerst werden bestaande fabricatieprotocollen voor PDMS-gebaseerde microfluïdische chips aangepast aan de beschikbare toestellen en de ontwerpeisen. Vervolgens werd de gesegmenteerde stroom geïmplementeerd in de microkanalen, waarbij een specifieke perfluorolie geïntroduceerd werd om de opname en migratie van biomoleculen te verhinderen. Dit, op zijn beurt, vereiste een aangepaste oppervlakte-actieve stofen oppervlaktebehandeling van de kanalen, waardoor het noodzakelijk werd om eerder gerapporteerd werk te herhalen. De basishandelingen zoals druppelgeneratie, mengen en splitsen werden eerst beter bestudeerd vooraleer nieuwe concepten werden aangevat.</>
In het tweede deel werd een nieuw microfluïdisch concept ontwikkeld om de splitsingsratio van druppels actief te regelen. Hierbij werd een computermodel opgesteld, gevalideerd en geïmplementeerd om het effect van verschillende ontwerpen vanmicrokanalen en stromingsparameters te simuleren. Met het definitieve ontwerp, werden druppels gesplitst in ratios tussen 50/50 en 95/5, enkel door het beheersen van de operationele parameters. Dit vermindert aanzienlijk de tijd die nodig is om de druppelsplitsing overeen te doen komen met potentiële (bio)assays in toekomstig werk. De dynamische controle versnelde in het bijzonder de praktische optimalisatie van de scheiding van microdeeltjes in volgend onderzoek.</>
In het derde deel werd met een combinatie van simulaties en experimenten de configuratie voor het magnetisch afscheiden van micropartikels onderzocht. Een gedetailleerd driedimensionaal model van het magnetische veld in de nabijheid van een kubusvormige permanente magneet werd gebruikt om de magnetische kracht op superparamagnetische micropartikels nauwkeurig te bepalen. Met behulp vandeze resultaten werden de condities voor de aggregatie, aantrekking en immobilisatie van de micropartikels bestudeerd en werden de juiste voorwaarden voor afscheiding vastgelegd. In de beste opstelling werd tot 90% van het volume van de druppels afgescheiden van de micropartikels, waarbij minder dan 5% van de partikels verloren ging. Slechts indien meer dan95% van het oorspronkelijke staalvolume in één keer werd verwijderd, werd meer dan 10% van de micropartikels niet meer goed afgescheiden.</>
Tenslotte, werd een selectief DNA-extractie-assay met micropartikels ineen gesegmenteerd microfluïdisch systeem bestudeerd om zo de performantie van het nieuwe ontwerp te evalueren. Er werd aangetoond dat de hybridisatie en bindingsefficiëntie van de gebiofunctionaliseerde micropartikels identiek zijn voor het microfluïdische systeem en voor experimenten op laboschaal. Vervolgens werd het effect van micropartikelafscheiding opde DNA-extractie-efficiëntie getest bij verschillende splitsingsratios.Uiteindelijk werd de impact van partikelafscheiding bij hogere splitsingsratio besproken in de context van herhaaldelijk wassen. Het succesvol implementeren van selectieve DNA-extractie is nieuw voor druppel-gebaseerde gesegmenteerde stroom microfluïdica en is zeer beloftevol voor toekomstige toepassingen.</>
Veel regelmatig toegepastebioassays (bijv. ELISA) gebruiken een vaste drager om de antilichamen of bindingsprobes te verankeren, waardoor de scheiding van de doelmoleculen en de complexe biologische matrices mogelijk wordt. Magnetische nano-of micropartikels zijn uitermate geschikt voor deze taak vanwege hun hoge oppervlakte-volume verhouding en de mogelijkheid om ze magnetisch af te scheiden van de staalmatrix. In die context lijken druppel-gebaseerdegesegmenteerde stroom microfluïdica en de toepassing van magnetische micropartikels een logische en aantrekkelijke combinatie. De integratie van beide technologieën vereist echter een goed begrip van micro-engineering</>, microfluïdica en bioassay-ontwikkeling om tot een succesvol diagnostisch apparaat te komen. Het doel van dit doctoraatsonderzoek was dan ook het bestuderen van de integratie van de manipulaties van magnetischemicropartikels in een druppel-gebaseerde microfluïdische chip gefabriceerd in PDMS.</>
Het eerste deel van dit werk bestond voornamelijk uitcapaciteitsopbouw. Eerst werden bestaande fabricatieprotocollen voor PDMS-gebaseerde microfluïdische chips aangepast aan de beschikbare toestellen en de ontwerpeisen. Vervolgens werd de gesegmenteerde stroom geïmplementeerd in de microkanalen, waarbij een specifieke perfluorolie geïntroduceerd werd om de opname en migratie van biomoleculen te verhinderen. Dit, op zijn beurt, vereiste een aangepaste oppervlakte-actieve stofen oppervlaktebehandeling van de kanalen, waardoor het noodzakelijk werd om eerder gerapporteerd werk te herhalen. De basishandelingen zoals druppelgeneratie, mengen en splitsen werden eerst beter bestudeerd vooraleer nieuwe concepten werden aangevat.</>
In het tweede deel werd een nieuw microfluïdisch concept ontwikkeld om de splitsingsratio van druppels actief te regelen. Hierbij werd een computermodel opgesteld, gevalideerd en geïmplementeerd om het effect van verschillende ontwerpen vanmicrokanalen en stromingsparameters te simuleren. Met het definitieve ontwerp, werden druppels gesplitst in ratios tussen 50/50 en 95/5, enkel door het beheersen van de operationele parameters. Dit vermindert aanzienlijk de tijd die nodig is om de druppelsplitsing overeen te doen komen met potentiële (bio)assays in toekomstig werk. De dynamische controle versnelde in het bijzonder de praktische optimalisatie van de scheiding van microdeeltjes in volgend onderzoek.</>
In het derde deel werd met een combinatie van simulaties en experimenten de configuratie voor het magnetisch afscheiden van micropartikels onderzocht. Een gedetailleerd driedimensionaal model van het magnetische veld in de nabijheid van een kubusvormige permanente magneet werd gebruikt om de magnetische kracht op superparamagnetische micropartikels nauwkeurig te bepalen. Met behulp vandeze resultaten werden de condities voor de aggregatie, aantrekking en immobilisatie van de micropartikels bestudeerd en werden de juiste voorwaarden voor afscheiding vastgelegd. In de beste opstelling werd tot 90% van het volume van de druppels afgescheiden van de micropartikels, waarbij minder dan 5% van de partikels verloren ging. Slechts indien meer dan95% van het oorspronkelijke staalvolume in één keer werd verwijderd, werd meer dan 10% van de micropartikels niet meer goed afgescheiden.</>
Tenslotte, werd een selectief DNA-extractie-assay met micropartikels ineen gesegmenteerd microfluïdisch systeem bestudeerd om zo de performantie van het nieuwe ontwerp te evalueren. Er werd aangetoond dat de hybridisatie en bindingsefficiëntie van de gebiofunctionaliseerde micropartikels identiek zijn voor het microfluïdische systeem en voor experimenten op laboschaal. Vervolgens werd het effect van micropartikelafscheiding opde DNA-extractie-efficiëntie getest bij verschillende splitsingsratios.Uiteindelijk werd de impact van partikelafscheiding bij hogere splitsingsratio besproken in de context van herhaaldelijk wassen. Het succesvol implementeren van selectieve DNA-extractie is nieuw voor druppel-gebaseerde gesegmenteerde stroom microfluïdica en is zeer beloftevol voor toekomstige toepassingen.</>
Datum:1 jan 2009 → 27 mei 2014
Trefwoorden:Microfluidics, Aptamers, Bioreactors
Disciplines:Engineering van biomaterialen, Biologische systeemtechnologie, Biomateriaal engineering, Biomechanische ingenieurswetenschappen, Andere (bio)medische ingenieurswetenschappen, Milieu ingenieurswetenschappen en biotechnologie, Industriële biotechnologie, Andere biotechnologie, bio-en biosysteem ingenieurswetenschappen, Analytische chemie, Farmaceutische analyse en kwaliteitszorg
Project type:PhD project