Microfluidic Compartmentalization for Smart Materials, Medical Diagnostics and Cell Therapy

• The organisation of fluids in small compartments is ubiquitous in nature, such as in the cellular composition of all life. This work explores several engineering avenues where microscale fluid compartmentalization can bring novel material properties or novel functionality in life sciences or medicine. Here, we introduce four unique compartmentalization methods: 1) 3D fluid self-organisation in microscaffolds (FLUID3EAMS), 2) 2D microcapillary arrays on a dipstick (Digital Dipstick), 3) a sliding microfluidic platform with cross-flow (Slip-X-Chip), and 4) compartmentalization by cutting of soft solid matter (Solidify & Cut). These methods were used in a wide range of applications. Within the area of smart materials, we applied FLUID3EAMS to synthesize materials with temperature-tuneable permeability and surface energy and to establish, in a well-controlled fashion, tissue-like materials in the form of 3D droplet interface bilayer networks. Solidify & Cut was used to form soft composites with a new type of magnetic behaviour, rotation-induced ferromagnetism, that allows easy reprogramming of the magnetization of magnetopolymers. Within the area of medical diagnostics, we applied Digital Dipstick to perform rapid digital bacterial culture in a dipstick format and obtained clinically relevant diagnostic results on samples from patients with a urinary tract infection. Furthermore, Slip-X-Chip enables particle concentration and washing as new functions in sliding microfluidic platforms, which significantly expands their potential application area. Finally, within the area of cell therapy, we explored the microencapsulation of high concentrations of therapeutic cells and presented a novel technique to fabricate core-shell microcapsules by exploiting the superior material properties of spider silk membranes. 

• Organisering av vätskor i små fack är allmänt förekommande i nature, t.ex. i den cellulära sammansättningen av allt liv. Det här arbetet utforskar ett flertal ingenjörsmässiga tillvägagångssätt där organisering av vätska på mikroskala kan frambringa nya egenskaper hos material eller uppnå ny funktionalitet i life science eller medicin.Här introduceras fyra unika sätt att dela upp vätskor: 1) 3-Dimensionell självorganisation av vätskor i mikrostrukturer (FLUID3EAMS), 2) Mikrokapillära 2D-matriser på en mätsticka (Digital Dipstick), 3) en glidande mikrofluidisk platform med tvärflöde (Slip-X-Chip), och 4) uppdelning genom skärande av mjuk solid material (Solidify & Cut). De här metoderna användes i flertalet applikationsområden. Inom området smarta material applicerade vi FLUID3EAMS för att syntetisera material med permeabilitet och ytenergi som kunde styras med temperatur och för att etablera, i välkontrollerade former, vävnadslika material i form av ett nätverk av 3-Dimensionella dubbellager av droppgränssnitt. Inom området medicinsk diagnostic, applicerade vi Digital Dipstick för att utföra snabb, digital odling av bakteriekulturer i ett mätstickeformat och uppnådde kliniskt relevanta diagnostiska resultat från patienter med urinvägsinfektion. En vidareutveckling av detta koncept, Slip-X-Chip, möjliggör partikelkoncentration och sköljning som tillagda funktioner i glidande mikrofluidiska plattformar, vilket väsentligt utökar deras potentiella användningsområden.  Slutligen, inom området cellterapi, utforskade vi mikro-inkapsling av höga koncentrationer av terapeutiska celler och presenterade en ny teknik att framställa core-shell mikrokapslar genom att utnyttja de överlägsna materialegenskaperna hos silkesmembran från spindlar. 

Subject headings

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Medicinsk bioteknologi -- Biomaterialvetenskap (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Medical Biotechnology -- Biomaterials Science (hsv//eng)

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Medicinsk bioteknologi -- Biomedicinsk laboratorievetenskap/teknologi (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Medical Biotechnology -- Biomedical Laboratory Science/Technology (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Kompositmaterial och -teknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Composite Science and Engineering (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik -- Annan elektroteknik och elektronik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering -- Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Industriell bioteknik -- Medicinsk bioteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Industrial Biotechnology -- Medical Biotechnology (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Nanoteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Nano-technology (hsv//eng)

Keyword

Microfluidics

microfabrication

compartmentalization

partitioning

droplet microfluidics

self-assembly

3D microarrays

soft composites

beads

particles

core-shell particle

point-of-care

diagnostics

dipstick

digital bioassays

lab-on-a-chip

urinary tract infection

bacteria detection

E. coli

cell encapsulation

hydrogel

cell therapy

spider silk

magnetic metamaterials.

Mikrofluidik

mikrotillverkning

kompartmentalisering

partitionering

droppmikrofluidik

självmontering

3D-mikromatriser

mjuka kompositer

pärlor

partiklar

kärna-skalpartikel

vårdpunkt

diagnostik

mätsticka

digitala bioanalyser

laboration-a-chip

urinvägsinfektion

bakteriedetektering

E. coli

cellinkapsling

hydrogel

cellterapi

spindelsilke

magnetiska metamaterial.

Publication and Content Type

vet (subject category)

dok (subject category)