Electrochemically actuated capillary flow control for the development of integrated microfluidic devices

Abstract

Dispositivos microfluidos operados por fuerzas capilares son fáciles de operar plataformas para realizar herramientas Lab-On-a-Chip (LOC). Si estas “simplistas” aplicaciones LOC tengan éxito, la operación unitaria del control de flujo hay que desarrollarse. Esto es particularmente verdad para herramientas “ASSURED” (término introducido por A. Guiseppi-Elie: Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, Rapid and robust, Equipment-free and Deliverable) y aplicaciones bioanalíticas en las cuales la respuesta depende de la disolución de los reactivos previamente depositados, la cinética de afinidad biológica y enzimática, y el transporte en materia de productos a un transductor en los microcanales. En esta tesis el diseño, fabricación e implementación de tres alternativas electroquímicas para el control del flujo capilar se han desarrollado basadas en electrowetting usando i) superficies superhidrófobas basándose a polímeros que responden inteligentemente a los estímulos eléctricos, ii) superficies nanoporosas superhidrófobas de electrodos de carbono, y iii) electrodos con superficies superhidrófobas acoplados a otros electrodos que facilitan la generación de gradientes que pueden propulsar el líquido. La tesis estudia el mecanismo de la respuesta en cada caso en estos sistemas y demuestra opciones para la reducción a la práctica de herramientas que pueden “democratizar” la “teranostica” (theranostics).

Capillary force-operated microfluidic devices are easy to use, low cost realization platforms for Lab-on-a-Chip (LOC) configurations. If such “simplistic” LOC applications are to have success, flow control is an important unit operation to develop. This is particularly true for ASSURED (a term introduced by A. Guiseppi-Elie: Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, Rapid and robust, Equipment-free and Deliverable) devices for bioanalytical applications where an analytical response depends on the dissolution of previously deposited reagents, the kinetics of biological affinity and enzymatic reactions, and mass transport of products to a transducer in the microchannels. In this thesis the design, fabrication and implementation of three different electrochemically actuated capillary flow control schemes have been developed through low voltage electrowetting/ electrochemical actuation of the flow using i) electrical stimuli responsive superhydrophobic surfaces based on intelligent polymers ii) superhydrophobic nanoporous carbonaceous surfaces, and iii) superhydrophobic electrodes coupled to other electrodes that facilitate the generation of gradients to propel the liquid. The thesis unravels the mechanism of response of such systems and demonstrates ways for reduction to practice of such devices for the “democratization” of theranostics.