Design of temperature control system to perform biological reactions in microfluidic devices, within epic-fluorescence microscope

Abstract

[EN] Since the discovery of the Micro-Electromechanical Systems (MEMS technology) enormous improvements have been made in countless engineering fields. Lab on chip devices enable the integration of almost all the processes required for complete biological, chemical and biomedical protocols on a single microfluidic chip which could be used directly in the microscope. However, this technology is still in growth stages and there are not normalized protocols nor devices to carry out experiments with an optimum efficiency and customization. The project sheds light over the possibilities of developing experiments in microfluidic devices to control the temperature and study the behavior of the dissolution injected in an Epic-Fluorescence microscope. To do so, a high resistant temperature resin holder has been fabricated using 3D printing with the purpose of incorporating all the experimental components complying with the sizes of the microscope. Likewise, a robust, accurate and fast acquisition temperature control device has been designed with a friendly use interface. The working range of the temperature control is from 20ºC to 99ºC, reaching an acquisition speed of 40 seconds and an error smaller than 0.5ºC. The designed temperature controller can maintain cells at 37ºC to help proliferation and can be used to investigate the effect of the temperature change in microfluidic devices or test protein crystallization. The device also could be used to implement Polymerase Chain Reactions or for the analysis of digital microfluidics. Additionally, due to the morphology of the designed holder to incorporate the experimental components within the microscope, the applications of the temperature control system could be extended to all kind of technologies developed in a single microscope slide.

[ES] El descubrimiento de los sistemas micro-electromecánicos (MEMS) trajo consigo un increíble avance en incontables campos de la ingeniería. Los dispositivos lab on chip permiten la integración the los componentes y los procesos necesarios para el desarrollo the reacciones biológicas y químicas en una simple placa de microscopio. Pero esta sigue siendo una tecnología en estado de desarrollo y todavía no existen ni protocolos ni dispositivos normalizados para llevar a cabo los experimentos con un grado de eficiencia y personalización óptima. En el presente proyecto se arroja luz sobre las posibilidades de realizar experimentos en dispositivos microfluídicos controlando la temperatura de estos para averiguar el comportamiento de las disoluciones inyectadas en su interior a través de un microscopio de fluorescencia. Para ello, se ha fabricado una carcasa de resina de alta resistencia térmica mediante impresión 3D, para así integrar de forma compacta todos los elementos experimentales ajustándose a las medidas del microscopio de fluorescencia. Así mismo, se ha diseñado un dispositivo de control de temperatura robusto, preciso, de rápida adquisición, con un interfaz de usuario sencillo y fácil de manejar para los dispositivos microfluídicos. El control de temperatura trabaja en un rango entre los 20ºC y los 99ºC, alcanzando una velocidad de adquisición de temperatura del dispositivo microfluídico inferior a 40 segundos y un error inferior a 0.5ºC. El controlador de temperatura diseñado permite mantener células vivas a una temperatura de 37ºC favoreciendo su proliferación, realizar experimentos sobre el efecto del cambio de temperatura en los dispositivos microfluídicos, o experimentar con la cristalización proteínica. El dispositivo creado también se podría utilizar para la llevar a cabo reacción en cadena de la polimerasa (PCR), o para el análisis de dispositivos microfluídicos digitales. Así mismo, dada la morfología del diseño de la carcasa a introducir en el microscopio las aplicaciones del dispositivo de control de la temperatura pueden extender a todo tipo de tecnologías desarrolladas en una placa de microscopio.