Long-term on-chip storage and release of liquids for pressure driven Lab-on-a-Chip platforms

Hochschulschrift

Zusammenfassung: In this work, novel concepts for reagent storage of liquids on a Lab-on-a-Chip (LoC) platform are presented, which is currently being developed at the Robert Bosch GmbH. The BOSCH platform consists of a polymer-based multilayer stack, which is joined by laser transmission welding. Microfluidic operations are realized by deflection of a flexible membrane in the surrounding cavities through actuation of pneumatic pressure. Using this main principle, valve switching or moving fluids to adjacent chambers is possible. Based on the multilayer structure and the principle of actuation, novel concepts were developed providing long-term, on-chip storage of liquids and reagent release on demand. The followinginvestigations were divided into three working fields.In the first working field, the choice of polymers for the BOSCH platform is considered, taking into account the target application and the manufacturing process. Referring to previous publications, a number of thermoplastic polymers were listed, which have already been applied to other LoC platforms. The polymers were evaluated based on essential criteria of the BOSCH platform, which allowed to curtail the polymers to polycarbonate (PC) and cyclo-olefin copolymer (COP). In addition, the multilayer structure required a flexible membrane suitable for laser transmission welding with the polymer substrates.For PC, a weldable flexible membrane was already known, consisting of a thermoplastic polyurethane-based elastomer (TPU) and providing high elasticity. For COP a new thermoplastic, flexible membrane was produced as a part of the polymer evaluation with the aid of external partners, which consists of a styrene-based elastomer (TPS). On the one hand, TPS membranes can be joined to COP by laser transmission welding and on the other hand, the elastic properties are similar to TPU. For both composites, PC-TPU-PC and COP-TPS-COP, a process window was examined with respect to weldability and the resulting tensile strength. PC-TPU-PC samples showed a maximum tensile strength of 8.9N/mm2, whereas for COP-TPS-COP samples a slightly lower maximum tensile strength of 7.5N/mm2 was measured. Since the BOSCH platform is exposed to thermal stresses during application, tensile tests were performed at temperatures of T = 90 °C. As a result, the tensile strength for both polymer composites declined significantly to approximately 75 %. In addition to thermal loads, the BOSCH platform is also exposed to pressure loads up to p = 3.0 bar. For this purpose, burst tests were performed with both composites, which were joined by laser transmission welding with optimized parameters. While PC-TPU-PC samples withstood pressures up to p = 3.0 bar at temperatures of T = 90 - 95 °C, COP-TPS-COP samples failed at a pressure of p = 1.5 bar. At room temperature,both composites withstood the required pressure of p = 3.0 bar. Furthermore,valve switching was demonstrated successfully in functional models, assembled with both polymer composites. Due to higher heat and pressure resistance, further investigations concerning long-term storage of liquids were first restricted to PC-TPU-PC composites. Therefore, liquid reagents (water, ethanol) were stored in laser bonded PC-TPU-PC cartridges over a period of 24 months. Storage at room temperature showed significantly high losses (97.2% for water). In contrary, reagent storage at a temperature of T = -20 °C can be considered as long-term stable due to limited diffusion. Referring to measurements of the water vapor and ethanol permeability of PC, COP, TPU and TPS samples, especially the outstanding barrier properties of COP were of high interest for the development ofreagent storage concepts.In the second working field, a novel concept for direct on-chip storage of liquids without additional packaging is presented, taking into account the new findings of the polymer evaluation. The multilayer structure may preferably consist of COP-TPS-COP composites, whereas COP inherently offers high barrier properties for storage at room temperature. Using PC-TPU-PC composites requires additional surface coatings within the reservoirs in order to be suitable for long-term storage, unless the storage temperature is reduced to T = -20 °C. The reservoirs were sealed with a commercially available barrier film through hot embossing. Maximum peel strengths of Sp,PC = 0.90N/mm for PC and Sp,COP =0.95N/mm for COP were measured in combination with the barrier film. The reagent release is based on the same main principle as for valve switching: applying pneumatic pressure leads to deflection of the flexible membrane. Since the barrier film has defined rated breakpoints, which were installed by pulsed laser ablation, it breaks at sufficient pressures. The progressing membrane deflection allows efficient displacement of the liquid from the reservoir to the adjacent sample chamber. In order to achieve high repeatability of reagent release, different rated brake points including varying cut line depths were studied. For this suppose, optical measurements were examined to ensure that the barrier properties of thebarrier film were not affected by the pulsed laser ablation. Reagent release was performed at pressures of pa = 2.0 - 3.0 bar, yielding opening delays of less than 5 s. Due to the displacement of liquid reagents from reservoir to sample chamber transfer losses appear. Thereby, emptying efficiencies of at least 80% were determined. In order to prove the ability for long-term storage using coated PC and COP as polymer substrates, accelerated aging tests were performed with distilled water. Extrapolating the reagent losses of sealed COP reservoirs up to 2 years, yielded a loss of only 2.0 %. Thus, the outstanding barrier properties of COP were confirmed. In addition, it could be concluded that diffusion losses through the sealing layer of the barrier film were negligible. The barrier properties of PC reservoirs have been significantly increased by Al2O3 coatings, but could improved in further investigations. Finally, a functional model was assembled, which successfully demonstrated reagent release of the direct on-chip storage concept out of a testing device.In the third working field, a further on-chip storage concept is presented, which provides the liquid reagents in tubular bags, so-called stick packs. In contrary to direct on-chip storage, the barrier properties required for long-term storage do not depend on the polymer substrate of the LoC platform, which enables high flexibility concerning the polymer selection. Stick packs are widely used in packaging industries and allow long-term storage of liquids. The stick packs are integrated into the multilayer structure of the BOSCH platform, surrounded by two substrate polymers and the flexible membrane. Similar to the direct on-chip storage concept, the reagent release is pressure driven through deflection of the flexible membrane. Thereby, the pneumatic pressure is transferred to the stick pack, which leads to delamination of the peel seam at sufficient pressure and finally to reagent release into the adjacent chamber. First, accelerated aging was performed with stick packs filled with water, wash buffer and ethanol. Extrapolated reagent losses were below 0.5% corresponding to a real time equivalent of more than 2.5 years. Due to the fact that the delamination of the peel seam is pressure driven, a minimum actuation pressure of pa = 1.9 bar was determined in order to ensure reliable reagent release. In addition, the opening delay of stick packs, which went through accelerated aging, was measured to detect possible changes of the delamination. All investigated stick packs showed opening delays of t < 30 s. A significant influence of accelerated aging of the peel seam was not asserted. A theoretical model showing the relationship between the burst pressure pb and the peel strength Sp was introduced to describe the delamination process in more detail. The theoretical considerations were confirmed by measuring the peel strength of the peel seam in tensile tests and the actual measured burst pressure pb,meas.. Furthermore, emptying efficiencies (> 75 %) were determined and contamination risks were excluded in contamination tests. Since the footprint of the stick packs requires remarkable space, two miniaturization concepts were suggested. Based on the results of this workfield, stick packs were defined as the target concept. Finally, the stick packs containing all required reagents were integrated into the BOSCH platform (PC-TPU-PC), performing a complete diagnostic assay
Zusammenfassung: In dieser Arbeit werden neuartige Konzepte für die Flüssiglagerung von Reagenzien untersucht, die in eine von der Robert Bosch GmbH entwickelten Lab-on-a-Chip (LoC) Plattform integriert werden sollen. Der Mehrschichtaufbau der BOSCH Plattform ist polymerbasiert und kann durch Laserdurchstrahlschweißen gefügt werden. Mikrofluidische Operationen werden durch eine flexible Polymermembran realisiert, die sich durch Anlegen eines pneumatischen Drucks in Kavitäten des umgebenden Polymersubstrats auslenken kann. Mit diesem Prinzip können beispielsweise Ventile geschalten und Flüssigkeiten in benachbarte Kammern verdrängt werden. Basierend auf diesen Mehrschichtaufbau sowie seinem Aktuierungsmechanismus wurden Konzepte entwickelt, die eine langzeitstabile Flüssiglagerung sowie eine bedarfsgerechte Bereitstellung der Reagenzien auf der BOSCH Plattform erlauben. Die damit verbundenen Untersuchungen wurden in drei Arbeitsgebiete unterteilt.Im ersten Arbeitsgebiet wird unter Berücksichtigung der Zielapplikation und des Herstellungsprozesses der BOSCH Plattform zunächst auf dieWahl der Polymere eingegangen. Hierfür wurden zahlreiche thermoplastische Polymere zusammen-gestellt, die basierend auf bisherigen Publikationen für LoC Plattformen grundsätzlich Anwendung finden. Anhand von essentiellen Kriterien der BOSCH Plattform wurden die Polymere evaluiert, was eine Einschränkung auf die Polymere Polycarbonat (PC) und Cyclo-Olefin-Copolymer (COP) zulässt. Darüber hinaus erforderte der Mehrschichtaufbau eine flexible Polymermembran, die mit dem jeweiligen Substratpolymer durch Laserdurchstrahlschweißen gefügt werden kann. Für PC war bereits eine verschweißbare Polymermembran bekannt, die sich aus einem thermoplastischen Elastomer auf Polyurethanbasis (TPU) zusammensetzt und hohe Elastizität bietet. Für COP wurde im Rahmen einer Materialrecherche eine flexible Membran aus einem thermoplastischen Elastomer auf Styrolbasis (TPS) mithilfe eines externen Partners entwickelt, welche zum einen verschweißbar ist und zum anderen über vergleichbare elastische Eigenschaften verfügt. Diese zwei Polymerverbunde aus PC-TPU-PC und COP-TPS-COP wurden jeweils hinsichtlich ihrer Verschweißbarkeit untersucht. Es wurden maximale Zugfestigkeiten in Höhe von 8.9N/mm2 für PC-TPU-PC und 7.5N/mm2 für COP-TPS-COP ermittelt. Da die BOSCH Plattform im Anwendungsfall auch thermischen Belastungen ausgesetzt ist, wurden die Zugversuche auch bei Temperaturen von T = 90 °C durchgeführt. Hierbei kam es zu einem signifikanten Abfall der Zugfestigkeit für beide Polymerverbunde von näherungsweise 75 %. Zusätzlich zu thermischen Belastungen für die BOSCH Plattform kommen pneumatische Belastungen von Drücken bis p = 3.0 bar hinzu. Daher wurden Bersttests mit beiden Polymerverbunden durchgeführt, die mit optimierten Parametern aus den zuvor ermittelten Prozessfenstern verschweißt wurden. Während Proben aus PC-TPU-PC Drücken bis p = 3.0 bar bei Temperaturen von T = 90 - 95 °C standhielten, versagten die Proben aus COP-TPS-COP ab Drücken von p = 1.5 bar. Bei Raumtemperatur hielten dennoch beide Polymerverbunde reproduzierbar Drücken bis p = 3.0 bar stand. Die Möglichkeit Ventile pneumatisch getrieben zu öffnen und zu schließen wurde mit beiden Polymerverbunden erfolgreich verifiziert. Aufgrund der höheren Temperatur- und Druckbeständigkeit wurden zunächst ausschließlich PC-TPU-PC Verbunde hinsichtlich ihrer Lagerfähigkeit von Flüssigreagenzien (Wasser, Ethanol) über einen Zeitraum von 24 Monaten untersucht. Eine Lagerung bei Raumtemperatur zeichnete sich durch signifikant hohe Verluste aus (97.2% für Wasser), während eine Lagerung im gleichen Polymerverbund bei einer Temperatur von T = -20 °C aufgrund von stark eingeschränkter Diffusion als langzeitstabil betrachtet werden kann. Anhand von Messungen der Wasserdampf- und Ethanolpermeabilität von PC, COP, TPU und TPS Proben wurde insbesondere die herausragende Barrierewirkung von COP deutlich, was für die Ausarbeitung der Reagenzienvorlagerungskonzepte Beachtung fand.Im zweiten Arbeitsgebiet wird unter Berücksichtigung der aus der Polymerevaluation gewonnenen Erkenntnisse ein Konzept für eine Direktvorlagerung vorgestellt, welches Flüssigreagenzien direkt auf der BOSCH Plattform ohne separate Behältnisse vorlagern und bei Bedarf bereitstellen kann. Der Mehrschichtaufbau kann zum einen aus PC-TPU-PC bestehen, welcher aber innerhalb der Reservoire f¨ur eine langzeitstabile Lagerung eine zusätzliche Beschichtung erfordert. Zum anderen bietet sich aufgrund der hohen Barriere-eigenschaften von COP der Verbund aus COP-TPS-COP an. Um die Reservoire langzeitstabil zu verschließen, wurden sie mit einer kommerziell erhältlichen Barrierefolie versiegelt. Hierbei wurden maximale Schälfestigkeiten von Sp,PC = 0.90N/mm für PC und Sp,COP = 0.95N/mm für COP gemessen. Der Öffnungs-mechanismus ist analog zur Ventiltechnologie pneumatisch getrieben und erfolgt durch Auslenkung der flexiblen Polymermembran. Die Siegelfolie ist mit einer laserablatierten Sollbruchstelle versehen, die durch die Membranauslenkung kontrolliert aufbricht und damit eine vollständige Verdrängung der Flüssigkeit aus dem Reservoir in eine benachbarte Reagenzkammer ermöglicht. Um eine möglichst hohe Reproduzierbarkeit der Reagenzfreigabe zu erzielen, wurden verschiedene Sollbruchstellen sowie Geometrien mit unterschiedlicher Ablationstiefe untersucht. Da es von erheblicher Bedeutung war die Barriere-eigenschaften durch die vorangehende Laserablation nicht zu beeinträchtigen, wurden die Ablationstiefen jeweils optisch vermessen. Die Reagenzfreigabe erfolgte mit Drücken von pa = 2.0 - 3.0 bar, für welche Öffnungszeiten von unter 5 s reproduzierbar gemessen wurden. Beim Verdrängen der Flüssigreagenzien vom Reservoir zur Reagenzkammer entstehen Transferverluste, wobei Entleerungs-effizienzen von mindestens 80% bestimmt wurden. Um das Direktvorlagerungs-konzept basierend auf PC oder COP als Polymersubstrat auf die Möglichkeit einer langzeitstabilen Lagerung zu testen, wurden beschleunigte Lagerungstests mit destilliertem Wasser durchgeführt. Eine Extrapolation der Lagerungsverluste in versiegelten COP Reservoiren auf 2 Jahre ergab einen Verlust von nur 2.0 %. Damit wurden die herausragenden Barriereeigenschaften von COP nochmals bestätigt. Zudem konnte daraus geschlussfolgert werden, dass die Versiegelung der Barrierefolie in Hinblick auf die Diffusion wenig verlustbehaftet war. Die Barrierewirkung von PC Reservoiren konnte durch Al2O3 Beschichtungen entscheidend verbessert werden, lieferte aber dennoch Potential für weiter-führende Untersuchungen. Abschließend wurde ein Einzelfunktionsmuster aufgebaut, in dem die Reagenzfreigabe des Direktvorlagerungskonzepts außerhalb von Testvorrichtungen erfolgreich verifiziert wurde.Im dritten Arbeitsgebiet wird ein weiteres, neuartiges Reagenzienvorlagerungs-konzept präsentiert, das Flüssigreagenzien nicht direkt im Reservoir, sondern in separaten Behältnissen auf der BOSCH Plattform vorlagert. Hierbei handelt es sich um 3-fach versiegelte Schlauchbeutel, sogenannte Stickpacks. Daraus ergibt sich ein entscheidender Vorteil, da die Barriereeigenschaften für die Reagenzienvorlagerung nicht vom Substratpolymer der Plattform abhängen. Stickpacks sind in der Verpackungsindustrie bereits etabliert und erlauben eine langzeitstabile Lagerung von Flüssigreagenzien, wobei die Anwendung in LoC Plattformen bisher kaum von Bedeutung war. Die Stickpacks werden analog zum Direktvorlagerungskonzept in den Mehrschichtaufbau integriert. Die Reagenzfreigabe erfolgt durch die pneumatisch getriebene Membranauslenkung. Der Druck wird auf die Reagenz im Stickpack übertragen und führt zur Delamination der Peelnaht und schließlich zur Freigabe der Reagenz in die benachbarte Kammer. Zunächst wurden beschleunigte Lagerungs- und Alterungstests mit Stickpacks durchgeführt, die mit Wasser, Waschpuffer und Ethanol befüllt waren. Hierbei wurden Reagenzverluste von weniger als 0.5% gemessen, die einem Zeitraum von ca. 2.5 Jahren entsprechen. Da die Reagenzfreigabe auf eine druckgetriebene Delamination der Peelnaht beruht, wurde ein Mindestöffnungsdruck pa = 1.9 bar für eine reproduzierbare Öffnung bestimmt. Darüber hinaus wurden Öffnungstests mit beschleunigt gealterte Stickpacks durchgeführt, um mögliche Veränderungen im Öffnungsverhalten zu detektieren. Insgesamt wurden Öffnungszeiten von t < 30 s für alle untersuchten Stickpacks ermittelt. Ein signifikanter Einfluss durch die beschleunigte Alterung der Peelnaht konnte nicht festgestellt werden. Dem Delaminationsprozess wurde ein theoretisches Modell zugrunde gelegt, welches den Zusammenhang zwischen dem Berstdruck pb und der Schälfestigkeit Sp der Peelnaht beschreibt. Mithilfe von Messungen der Schälfestigkeit der Peelnaht in Zugversuchen und den gemessenen Berstdruck pb,meas. konnte dieses Modell bestätigt werden. Des Weiteren wurden Entleerungseffizienzen (> 75 %) und Kontaminationsrisiken bestimmt sowie Möglichkeiten, den Flächenbedarf des Stickpackkonzepts zu minimieren. Basierend auf den Erkenntnissen dieser Arbeit wurde die Reagenzienvorlagerung in Stickpacks zum Zielkonzept erklärt. Letztlich wurden die Stickpacks mit allen erforderlichen Reagenzien in eine voll funktionsfähige BOSCH Plattform (PC-TPU-PC) integriert und ein diagnostischer Gesamtablauf erfolgreich demonstriert

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Dissertation, 2016

Klassifikation und Themen

• Klassifikation: Physik
• Schlagwort: Reagenz ; Langzeitlagerung ; Laserablation ; Laserdurchstrahlschweißen ; Lab on a Chip ; Diffusion ; Permeation ; Permeabilität ; Mikrofluidik ; Heißsiegeln ; Polymere ; Zugfestigkeit

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2016
• Urheber: Czurratis, Daniel
• Beteiligte Personen und Organisationen: Zengerle, Roland

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/10564
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-105641
• Rechteinformation: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:44 MEZ