Material characterization and printer classification to establish 3D printed reagent storage and release solutions

Abstract

Mikrofluidische Apparate, die mit Reagenzienlagerungs- und Freisetzungseinheiten ausgestattet sind, sind entscheidende Komponenten in der Entwicklung von Point-of-Care (PoC)-Diagnosegeräten, die in der medizinischen Diagnostik, chemischen Analyse und biologischen Forschung von großer Bedeutung sind.Traditionell war die Herstellung dieser Geräte ein zeitaufwändiger und teurer Prozess, der oft komplexe Fertigungstechniken erforderte. Die Integration der additiven Fertigung, insbesondere des harzbasierten 3D-Drucks, mit der Mikrofluidik hat das Potenzial, die Herstellung einsatzbereiter, 3D-gedruckter mikrofluidischer Geräte zu revolutionieren. Dieser innovative Ansatz vereinfacht den Herstellungsprozess, indem zusätzliche Schritte wie Gießen, Bonden oder Bohren entfallen, was die Effizienz und Präzision erhöht. Der 3D-Druck bietet eine schnelle und kostengünstige Alternative und ermöglicht die Erstellung hochdetaillierter und anpassbarer mikrofluidischer Kanäle und Komponenten. Dieser Wandel beschleunigt nicht nur den Entwicklungszyklus, sondern schafft auch neue Möglichkeiten für Innovationen in Design und Funktionalität. Ein kritischer Aspekt dieser Technologie ist jedoch die Bewertung der Druckqualität, um sicherzustellen, dass die Konstruktionsspezifikationen eingehalten werden, sowie die Optimierung der Druckeinstellungen für eine hohe Druckgenauigkeit. Ein Eckpfeiler dieser Arbeit war die Entwicklung und Optimierung von Protokollen für die additive Fertigung von Harzen, die keine vordefinierten Parameter aufweisen, unter Verwendung eines Digital Light Processing (DLP)-Druckers. Dabei wurde eine präzise Kontrolle der Druckbedingungen angestrebt, um eine genaue Herstellung mikrofluidischer Geräte zu erreichen. Die Fähigkeiten des DLP-Druckers in Bezug auf die Auflösung wurden mit ausgewählten Harzen untersucht, indem gedruckte Geometrien bewertet wurden, die für mikrofluidische Chips relevant sind. Die optimierten Einstellungen wurden bei der Entwicklung effektiver Reagenzienlagerungs- und Freisetzungsmechanismen für PoC-Diagnosevorrichtungen angewendet. Eine effektive Reagenzienlagerung und kontrollierte Freisetzung sind entscheidende Komponenten für die Funktionalität dieser Apparate. Das Zusammenspiel dieser Bereiche – „3D-Druck in der Mikrofluidik“ und „Reagenzienlagerung und -freisetzung“ – birgt das Potenzial, die Entwicklung und Funktionalität mikrofluidischer und PoC-Geräte für verschiedene Anwendungen voranzutreiben.

Microfluidic devices equipped with reagent storage and release units are crucial components in the development of point-of-care (PoC) diagnostic devices, which are important in medical diagnostics, chemical analysis, and biological research. Traditionally, the fabrication of these devices has been a time-consuming and expensive process, often involving complex manufacturing techniques. The integration of additive manufacturing, specifically resin-based 3D printing, with microfluidics has the potential to revolutionize the creation of ready-to-use 3D-printed microfluidic devices. This innovative approach simplifiesthe manufacturing process by eliminating the need for additional steps such as casting, bonding, or drilling, thereby enhancing efficiency and precision. 3D printing offers a rapid and cost-effective alternative, allowing for the creation of highly detailed and customizable microfluidic channels and components. This shift not only accelerates thedevelopment cycle but also creates new possibilities for innovation in design and functionality.However, a critical aspect of this technology is the evaluation of print quality toensure design specifications are met, as well as the optimization of print settings for highprinting accuracy.A cornerstone of this thesis was the development and optimization of protocols for theadditive manufacturing of resins that lack predefined parameters using a digital lightprocessing (DLP) printer. Thereby, precise control over printing conditions was aimed toachieve accurate microfluidic device fabrication. The DLP printer’s capabilities in terms ofresolution were investigated with selected resins by evaluating printed geometries relevantfor microfluidic devices. The optimized settings were applied in the development of effectivereagent storage and release mechanisms for point-of-care (PoC) diagnostic devices.Effective reagent storage and controlled release are critical components in the functionalityof these devices. The interplay between these areas - ’3D printing in microfluidics’and ’reagent storage and release’ - hold the potential to advance the development andfunctionality of microfluidic and PoC devices for various applications.