Flow Control and Applications of Laminate Capillary-Driven Microfluidic Device for Point-of-care Testing

Abstract

The following thesis addresses flow control methods and analysis of laminate capillary driven microfluidic devices, including their applications. The capillary-driven microfluidic device has the advantage of not requiring any external equipment to operate the device because it uses capillary force as the driving force of the device. It is a distinct advantage in many fields that require point-of-care testing compared to conventional microfluidic platforms. To utilize these advantages, it is necessary to develop passive flow control methods that can be used without other external equipment. Moreover, , it is necessary to accurately analyze the capillary flow generated in the device to improve the accuracy of the equipment, and in particular, extensive research is required for the laminate three dimensional device, which lacks research. Therefore, this thesis focuses on i) flow control method, ii) flow characteristic analysis in a laminate capillary-driven microfluidic device, and iii) an application utilizing it. First, the development of a theoretical model to predict the wetting distance in a laminate paper-based channel is delineated. The flow of the laminate paper-based channel is much faster than that of the conventional paper-based channel; however, it deviates from the existing prediction model owing to the effect of water absorption and swelling of the paper. Accordingly, we constructed a novel geometrical model to reflect the swelling effect of the papers and developed a theoretical prediction model using this geometrical model. The developed model was solved using a numerical method, and the effect of swelling was confirmed. The developed theoretical model could effectively predict the flow of the laminate paper-based channel. Subsequently, we present various flow control methods and flow analysis in a laminate film-based device comprised of multiple layers of transparency film and double-side adhesives. Initially, we present two types of valves, a burst valve and a push valve utilizing geometry change. These valves could stop the fluid for at least 30 minutes. Thereafter, three flow mixing methods using the geometry difference of the inlet channel are described. The three mixing methods are non-mixing, gradient generator, and rapid mixing. It was confirmed that a desired type of mixing flow could be generated using these three flow mixing methods. Lastly, the flow characteristics by geometry factors, such as the channel height and length and the physical properties of the fluid were examined. Moreover, the flow rate variation was investigated under the influence of each factor. Finally, a paper-based viscometer for blood plasma that uses colorimetric analysis is presented. It was fabricated by laminating three layers of paper-based channels, and by using a colorimetric analysis method. Results can be obtained with only one image capture. We obtained the flow rate through color analysis when the dyed sample solution was mixed with the reference solution, and we could compute the viscosity ratio using the principle that viscosity ratio is inversely proportional to the flow rate ratio. We confirmed the performance of the developed viscometer through viscosity measurement of various samples, including glycerin aqueous solution and blood plasma, and the usability was maximized by developing a smartphone app for image capture and analysis.|이 학위논문에서는 모세관력으로 구동되는 적층형 미세유동 장치에서의 유동 제어 방법 및 분석과 이를 활용한 응용에 대해 다룬다. 모세관력으로 구동되는 미세유동 장치는 모세관력을 장치의 구동을 위한 동력원으로 사용하기 때문에 구동에 다른 외부 장비가 필요 없다는 장점이 있다. 이것은 기존의 미세유동 플랫폼과 비교하였을 때 현장 진단이 필요한 분야에 있어 매우 큰 장점이다. 이런 장점을 활용하기 위해서는, 유동 제어에 다른 외부 장비가 필요 없는 여러 수동형 유동 제어 기술의 개발이 필요하다. 또한 장비의 정확도 향상을 위해서 장치에서 발생하는 모세관 유동의 정확한 분석이 필요하고 특히 기존에는 연구가 부족한 적층형 3차원 장치에 대해서 추가적인 연구가 필요하다. 그리하여 이 논문에서는 적층형 모세관력 미세유동 장치에서의 i) 유동 제어, ii) 유동 특성 분석, 그리고 그것을 활용한 iii) 응용에 대해 중점을 두었다. 먼저 적층형 종이 기반 채널에서의 젖음 거리 예측을 위한 이론적 모델의 개발에 대해서 설명한다. 적층형 종이 기반 채널의 유동은 기존의 종이 기반 채널에 비해서 매우 빠르지만 종이의 물 흡수와 팽창 때문에 기존의 예측 모델과는 잘 맞지 않는다. 이 연구에서 이런 종이의 팽창에 의한 영향을 반영하기 위해 기하학적인 모델이 제작되었으며 이를 바탕으로 이론적 예측 모델이 개발되었다. 개발된 모델은 수치해석적 방법을 통해 계산되었으며 팽창에 의한 효과를 확인할 수 있었다. 개발된 모델은 적층형 종이 기반 채널에서의 유동을 성공적으로 예측할 수 있었다. 다음으로 여러 장의 투명 필름과 양면접착제로 제작된 적층형 필름 기반 장치에서의 여러 유동 제어 방법과 유동 분석에 대해서 제시한다. 먼저 기하학적 변화를 통해 구현한 버스트 밸브와 푸쉬 밸브 두 가지 밸브에 대해서 제시된다. 이 밸브들은 최소한 30분간 유체를 정지시킬 수 있었다. 또한 유입 채널의 기하학적 차이를 활용한 세가지 유동 혼합 방법에 대해서 제시한다. 세가지 혼합 방법은 각각 혼합 없음, 농도 구배 생성, 급속 혼합 방법으로 이 세가지 유동 혼합 방법을 통해 원하는 형태의 혼합 유동이 생성될 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 기하학적 요인들과 유체의 물성에 따른 유동 특성이 조사되었다. 이에 채널의 높이와 길이, 그리고 유체의 점도 및 표면장력의 유량에 대한 영향이 확인되었다. 마지막으로 비색 분석을 활용한 혈장을 위한 종이 기반 점도계에 대해서 제시한다. 개발된 종이 기반 점도계는 3장의 종이 기반 채널을 적층하여 제작되었으며 비색 분석 방법을 활용하여 한 장의 사진 촬영으로 결과를 얻을 수 있다. 장치에서 유량 비율은 각각 염색된 샘플 용액과 기준 용액이 혼합되었을 때 색상 분석을 통해 얻었으며 점도 비율이 유량 비율과 반비례함을 이용해 점도 비율을 계산할 수 있었다. 개발된 점도계의 성능은 글리세린 수용액과 혈장 점도를 포함한 여러 샘플의 점도 측정을 통해 확인되었으며 이미지 획득과 결과 분석을 위한 스마트폰 어플리케이션의 개발을 통해 이용성을 극대화하였다.