Fabrication of microfluidic devices via 3D printer

Abstract

The purpose of this thesis is to provide easy and rapid prototyping of microfluidic devices using 3D printing technology that overcomes disadvantages of traditional fabrication techniques and also enhanced optical transparency of 3D-printed microfluidic devices fabricated using new bonding strategies. For performance analysis of 3D printer, microfluidic channels and molds having different shape and dimensions were designed and fabricated. After the fabrication process, designed and fabricated channel dimensions were compared. Structures having at least having 50 μm feature were printed successfully. For enhancing transparency of fabricated 3D structures, two different fabrication techniques were developed. In these techniques, 3D structures were bonded on glass substrates with poly (dimethylsiloxane) (PDMS) and Formlabs Clear Resin interlayers. After 3D-printed structures were put on interlayers coated glass slides, they were either remained on coated slides or transferred on new slides. Bonding between 3D structures and glass slides were provided with UV exposure for resin and with elevated temperature for PDMS interlayers. Bonding strength of fabricated channels was investigated for different thicknesses of PDMS and resin interlayers. The bright-field and fluorescence imaging properties of these channels were also analyzed. Proposed fabrication technique showed 2-fold improved bonding strength and comparable bright-field and fluorescence imaging capability with respect to traditional plasma activated PDMS-glass bonding. Furthermore, protein modified glass substrates can be integrated in 3D-printed channels using the presented fabrication technique without disturbing protein functionality. Finally, in order to design a 3D-printed micropump having membranes that can be activated with compressed air, membrane deformation was characterized with different dimension.

Bu tez çalışmasının amacı, mikro akışkan cihazların üretiminde kullanılan klasik üretim yöntemlerinin dezavantajlarını ortadan kaldıran 3B yazıcı teknolojisini kullanarak, hızlı ve kolay bir şekilde cihazların prototiplenmesini sağlamak ve yeni yapıştırma yöntemleri kullanarak 3B olarak üretilmiş mikro akışkan cihazların optik olarak şeffaflığını arttırmaktır. 3B yazıcının performans analizini yapmak için, farklı şekil ve ölçülerde mikro akışkan kanallar ve kalıplar tasarlandı ve üretildi. Üretim sonrası, tasarlanan ve üretilen kanal ölçüleri karşılaştırıldı. En az 50 μm ölçüye sahip yapılar başarılı bir şekilde üretildi. Üretilen 3B yapıları optik olarak iyileştirmek için, iki farklı üretim yöntemi geliştirildi. Bu yöntemlerde, 3B yapılar poli(dimetilsiloksan) (PDMS) ve Formlabs Clear Reçine ara katmanlarıyla cam yüzeylere yapıştırıldı. 3B yapılar ara katman kaplı cam yüzey üzerine koyulduktan sonra, ya orada bırakıldı ya da yeni bir cam yüzeye transfer edildi. Cam yüzey ile 3B yapılar arasındaki yapışma, reçine için UV uygulaması, PDMS için ise yükseltilmiş sıcaklık ile sağlandı. PDMS ve reçine ara katmanlarının farklı kalınlıkları için, üretilen kanalların bağlanma kuvveti incelendi. Bu kanalların aydınlık alan ve floresan görüntüleme özellikleri de analiz edildi. Önerilen üretim yöntemi, klasik plazma ile sağlanan PDMS-cam yüzey yapışmasına nazaran iki kat artırılmış bağlanma kuvveti ve karşılaştırılabilir görüntüleme kapasitesi gösterdi. Ayrıca, sunulan üretim yöntemi kullanılarak, 3B yapılar protein ile kaplanmış cam yüzeylerle proteinin fonksiyonelliğini bozmadan birleştirilebildi. Son olarak, 3B yazıyla üretilecek ve basınçlı hava ile aktive olabilecek zar içeren mikro pompa tasarlamak amacıyla, zarların deformasyonu karakterize edildi.