Fabrication of 3D hydrogel-based microscale tissue analog chip with integrated optofluidics

Lab-on-a-chip (LOC) is a device that integrates one or more laboratory functions in a single chip with dimensions ranging from a micrometer to a few millimeters. On-chip optofluidics, which combines microfluidics and tunable micro-optical components, is crucial for bio-sensing applications. However, recently reported optofluidic devices have only two-dimensional (2D) dielectric or metallic regions for sensing cellular activity, which fail to mimic the three-dimensional (3D) in vivo microenvironment of cells. In this research, a 3D hydrogel-based micro-scale-tissue-analog-chip (µTAC) is fabricated with an integrated optofluidic design for biomedical applications. These 3D hydrogels act as a scaffold for the cellular studies and as a waveguide for increasing the signal efficiency in sensing applications. These 3D waveguides, embedded in a Poly(dimethylsiloxane) elastomer-based optofluidic channel, are composed of Poly(ethylene glycol)-diacrylates (PEGDA). The refractive index of the PEGDA waveguides is higher compared to the water-based cladding that surrounds the waveguide. Because of this refractive index difference, waveguides confine the light waves due to the total-internal-reflection phenomenon (TIR). Initially, the characterizations and the sensing efficiency of the µTAC device are successfully demonstrated with a fluorescein detection study. This study demonstrates that the proposed device is in accordance with Beer-Lambert’s law with a limit of detection of 2.54 µM of fluorescein. Further, the sensing efficiency of the µTAC devices is tested in cellular studies by encapsulating cells inside the waveguides. Cellular studies with µTAC devices prove that the device is capable of efficiently sensing the cell density and the cell viability changes inside the waveguides with a limit of detection of ~27 cells/waveguide. In addition, this study also proves that the proposed µTAC device has a potential for long-term cell monitoring applications without compromising cell-viability. Therefore, with integrated 3D hydrogel waveguides, this µTAC-optofluidic device could be a potential platform with a broad range of applications in the fields of diagnosis and detection

Development of a microfluidic device for gaseous formaldehyde sensing = Développement d\u27un dispositif microfluidique pour la détection de formaldéhyde à l\u27état gazeux

Formaldehyd (HCHO) ist eine chemische Verbindung, die bei der Herstellung einer großen Zahl von Haushaltsprodukten verwendet wird.Charakteristisch ist seine hohe Flüchtigkeit aufgrund einer niedrigen Siedetemperatur ($T = - 19\ ℃$). Daher ist HCOH fast überall als Luftschadstoff in Innenräumen vorhanden. Die Miniaturisierung analytischer Systeme zu Handheld-Gerät hat das Potenzial, nicht nur effizientere, sondern auch empfindlichere Instrumente für die Echtzeitüberwachung dieses gefährlichen Luftschadstoffs zu ermöglichen. Die vorliegende Doktorarbeit präsentiert die Entwicklung eines Mikrofluidik-Geräts für die Erfassung von HCHO basierend auf der Hantzsch-Reaktion.Hierbei wurde der Schwerpunkt auf die Komponente für Fluoreszenzdetektion gelegt. Es wurde eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt, die es erlaubt, den Stand der Technik auf dem Gebiet der Miniaturisierung des Fluoreszenzsensors zusammenzufassen. Auf Grund dieser Studie wurde ein modulares Fluoreszenzdetektionskonzept vorgeschlagen, das um einen CMOS-Bildsensor (CIS) herum entwickelt wurde. Zwei dreischichtige Fluidikzellenkonfigurationen (Konfiguration 1: Quarz - SU-8 3050 - Quarz und Konfiguration 2: Silizium - SU-8 3050 - Quarz) wurden in Betracht gezogen und parallel unter den gleichen experimentellen Bedingungen getestet. Die Verfahren der Mikrofabrikation der fluidischen Zellen wurden detailliert beschrieben, einschließlich des Integrationsprozesses der Standardkomponenten und der experimentellen Verfahren. Der CIS-basierte Fluoreszenzdetektor bewies seine Leistungsfähigkeit, eine anfängliche HCHO-Konzentration von 10 µg/L vollständig in 3,5-Diacetyl-1,4-dihydrolutidin (DDL- derivatisiert) sowohl für die Quarz- als auch für die Silizium-Fluidikzellen zu detektieren. Beide Systemewiesenein Abfragevolumen von 3,5 µL auf. Ein offensichtlich höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) wurde für die Silizium-Fluidzelle ($\text{SNR}_{\text{silicon}} = 6.1$) im Vergleich zur Quarz-Fluidzelle ($\text{SNR}_{\text{quartz}} = 4.9$) beobachtet. Die Verstärkung der Signalintensität in der Silizium-Fluidzelle ist wahrscheinlich auf den Silizium-Absorptionskoeffizienten bei der Anregungswellenlänge zurückzuführen,$a\left( \lambda_{\text{abs}} = 420\ nm \right) = 5 \bullet 10^{4}\text{cm}^{- 1}$. Dieser Koeffizient ist ungefähr fünfmal höher als der Absorptionskoeffizient bei der Fluoreszenzemissionswellenlänge $a\left(\lambda_{\text{em}} = 515\ nm \right) = 9.25 \bullet 10^{3}\text{cm}^{- 1}$. HCHO wird aufgrund seiner relativ hohen Konstanten für das Henry-Gesetz sehr schnell in ein flüssiges Reagenz aufgenommen. Somit hängt die Auswahl des molekularen Einfangverfahrens (Schwallströmung, Ringströmung oder membranbasierte Strömungswechselwirkung) von derLeistungsfähigkeit des Fluoreszenzdetektors ab. Ein vorläufiges Konzept, das auf der Verwendung einer Gas-Flüssigkeitsmembran-basierten Wechselwirkung zum ständigen Abfangen des gasförmigen HCHO basiert, wurde eingeführt. Hierzu wurden kompatible Materialien und Herstellungsmethoden identifiziert. Darüber hinaus wurden CFD-Simulationen durchgeführt, um die Mikrokanallänge unter verschiedenen hydrodynamischen Bedingungen abzuschätzen, die für eine vollständige HCHO-Derivatisierung erforderlich sind. Eine Verbesserung und Vereinfachung auf der Grundlage von sehrnempfindlichen Fluoreszenzdetektoren mit niedrigen Detektionsgrenzen könnte zukünftig basierend z. B. auf Schwallströmung oder Ringströmung möglich sein

Integrated dye lasers for all-polymer photonic Lab-on-a-Chip systems

Basierend auf integrierten Farbstofflasern wurden zwei optische Lab-on-a-Chip Systeme entwickelt. Zur effizienten Anregung von Fluoreszenzmarkern wurden optofluidische Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung (DFB Laser) untersucht. Für die markerfreie Moleküldetektion wurden Mikrokelchlaser entwickelt, die auf Flüstergaleriemoden basieren. Besonderes Augenmerk lag auf einer möglichen Großserienfertigung der Chips als kostengünstige Einwegartikel und auf einer einfachen Handhabung

Design and Investigation of Reflectivity based Optofluidic Devices

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Optofluidic plasmonic onchip nanosensor array for biodetection

Thesis (Ph.D.)--Boston UniversitySurface plasmon resonance (SPR) sensing has been demonstrated in the past decade to be the gold standard technique for biochemical interaction analysis, and plays an important role in drug discovery and biomedical research. The technique circumvents the need of fluorescence/radioactive tagging or enzymatic detection, enables ultrasensitive remote sensing, and quantitatively monitors bio-interaction in real time. Although SPR has these attractive features that can satisfy most research/clinic requirements, there still exist problems that limit its applications. First, the reflection geometry of the prism coupling scheme adds limitations for high throughput screening application. Additionally, SPR instrumentations are bulky and not suitable for point-of-care settings. Moreover, the SPR sensor is embedded in conventional micro-fluidic cells, in which the sensor performance is limited by inefficient analyte transport. Suspended plasmonic nanohole array (PNA) offers an opportunity to overcome these limitations. A collinear excitation/collection coupling scheme combined with the small footprint of PNA provides unique platform for multiplexing and system minimization. The suspended nanohole structure also offers a unique configuration to integrate nano-photonics with nano-fluidics. This thesis focuses on developing a lab-on-a-chip PNA platform for point-of-care bio-detection. To achieve this, we first demonstrate that the figure-of-merit of our PNA sensor surpasses that of the prism coupled SPR. We also show that the ultrasensitive label-free PNA sensor is able to directly detect intact viruses from biological media at clinically relevant concentrations with little sample preparation. We then present a plasmonic microarray with over one million PNA sensors on a microscope slide for high throughput screening applications. A dual-color filter imaging method is introduced to increase the accuracy, reliability, and signal-to-noise ratio in a highly multiplexed manner. Finally, we present a nanoplasmonic-nanofluidic platform enabling active delivery of analyte to the sensor. Sensor response time is reduced by an order of magnitude compared to the conventional flow scheme. A dynamic range spanning 5 orders of magnitude from 10^3 to 10^7 particles/mL is shown on this platform corresponding to analyte concentration sufficient for clinical applications. The proposed approach opens up opportunities of a lab-on-a-chip bio-detection system for drug screening, disease diagnostic as well as clinic studies

Disposable Lab-on-Chip Systems for Biotechnological Screening

The main goal of this work was to develop different disposable Lab-on-Chip (LoC) systems for the application of biotechnological screening e.g. for bioprocess development through microorganisms or drug testing with human cell lines. Nowadays, microfluidics represents a highly promising field for the fabrication of microtools, as the increasing demand for screening data are difficult to meet with current platforms. This is mainly due to time and cost aspects as well as a limited amount of newly developed drugs. The ideal microfluidic platform for biotechnological screening should include three different groups of elements: (i) microbioreactors (MBR) in which cultivation takes place; (ii) auxiliary microfluidic systems (for transportation, filtration or mixing), and (iii) enzymatic biosensors for onchip analysis of substrate concentrations which are difficult to measure offline due to small available sample volumes. Within the scope of this work, various horizontally and vertically positioned MBR designs (resembling plug flow reactors, micro stir tanks or bubble columns) were developed, fabricated and successfully applied to the screening of different biological expression systems, such as yeast cells (S. cerevisiae), fungal spores (A. ochraceus) and primary human endothelial cells. Different integrated functional structures based on geometrical, optical or electrical elements allowed for online monitoring of various physical, chemical and biological process parameters during cultivation. In terms of the second group, passive and active microvalves, PZTand pneumatically actuated micropumps, passive filtration and mixing elements were produced. The third group comprised different types of enzymatic biosensors based on a hybrid detection principle (electrochemical-optical) and on different types of enzymatic responses. In general, the unique LoC setup (patterned element made of poly(dimethylsiloxane) and bonded to a glass substrate) allows an easy integration of systems into one monolithic LoC platform which are usually better suited for technically mature systems. Modular systems are advantageous for prototyping of new microfluidic applications. Therfore, an LoC construction kit was developed that offers a user friendly, standardized modular platform.Im Rahmen der Dissertation wurden verschiedene Einweg-Lab-on-Chip Systeme entwickelt, die beispielsweise bei biotechnologischen Parameterstudien von Mikroorganismen zur Bioprozesssteigerung oder von humanen Zelllinien zum Wirkstoffscreening Anwendung finden. Die Mikrofluidik ist ein vielversprechendes Forschungsgebiet für die Herstellung von kostengünstigen Mikrochips, womit der steigende Bedarf für Screening-Daten aufgrund von Vorteilen wie Zeit- und Kostenreduzierung erfüllt werden kann. Eine ideale mikrofluidische Plattform zum biotechnologischen Screenen sollte aus folgenden Gruppen bestehen: (i) dem Mikrobioreaktor zur Kultivierung, (ii) mikrofluidische Komponenten zum Transportieren, Filtrieren und Mischen von Suspensionen, und (iii) einem enzymatischen Biosensor für die on-Chip Analyse von Substratkonzentrationen. Innerhalb der Arbeit wurden diverse horizontal und vertikal positionierte Mikrobioreaktoren entwickelt, hergestellt und erfolgreich zum Screenen von unterschiedlichen biologischen Expressionssystemen (wie S. cerevisiae, A. ochraceus und humane Endothelzellen) angewendet. Die Integration von geometrischen, optischen und elektrischen Funktionselementen erlaubte eine online Überwachung von verschiedenen physikalischen, chemischen und biologischen Prozessparametern während der Kultivierung. Im Bereich der Gruppe (ii) wurden passive und aktive Mikoventile, PZT- und pneumatisch aktuierte Mikropumpen, Filtrations- und Mischkomponenten hergestellt und charakterisiert. Gruppe (iii) umfasste die Entwicklung eines enzymatischen Biosensors mit hybridem (elektrochemisch-optisch) Messumformer. Der einheitliche Chipaufbau aller Lab-on-Chip Systeme – bestehend aus einer Kombination von strukturiertem Polydimethylsiloxan und Glas – erlaubt das monolithische und modulare Zusammenschalten der Einzelsysteme zu der gewünschten Plattform. Da für erste Prototypen eine modulare Verschaltung zu bevorzugen ist, wurde ein Baukastensystem entwickelt, welches eine standardisierte und benutzerfreundliche Plattform für flexible Versuchsaufbauten bietet

Development of nanophotonic biosensor platform towards on-chip liquid biopsy

Liquid biopsy has the potential to enable diagnosis, prognosis, and monitoring of some diseases at an early stage using body fluids from patients. This minimally invasive, label-free detection method is less likely to harm the cell’s viability through binding to the surface protein. Smart integration of liquid biopsy designs with microfluidics on a single chip will lead to a considerable reduction in the detection time (due to controlled diffusion length), and the volumes of sample, agent and reagent, and the limit of detection. Optical label-free biosensors are a powerful tool to analyze biomolecular interactions and have been widely studied in the field of biomedical and biological science and engineering. Label-free detection enables direct measurement of key characteristic properties of the chemical compound, DNA molecule, peptide, protein, virus, or cell, while eliminating experimental uncertainty induced by the effect of the label on molecular conformation, thus reducing the time and effort required for bioassay. Existing optical label-free biosensors suffer from three limitations, including low detection sensitivity, slow molecules mass transfer, and poor throughput. The goal of this dissertation is to overcome these limitations through the development of a novel and efficient modality towards liquid biopsy-based bioassay with increased detection sensitivity, speed, and throughput. To increase the detection sensitivity, we investigate the optical bound states in the continuum (BIC) of slotted high-contrast grating (sHCG) structures. We demonstrate that the sHCG support BICs and high-Q resonant modes, and the slot position can be utilized to tune and optimize the linewidth of the high-Q resonances. To overcome the mass-transfer limitation and reduce the assay time, we propose a lateral flow-through optical biosensor integrating high-contrast gratings and microfluidics on a silicon-on-insulator platform. The biosensor design allows reducing the diffusion length to a submicron scale and enhancing direct interactions between the analytes and sensing structures. Finally, we develop a high-throughput, label-free exosome vesicles (EVs) detection microarray formed on a photonic crystal (PC) biosensor surface. We design and implement a hyperspectral imaging approach to quantify the antibody and EV absorptions on the PC-based microarray consisting of a panel of seven antibodies specific to multiple membrane receptors of the target EVs. We validate that the EV microarray by adopting it to detect EVs released by macrophages for the analysis of immune responses