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Abstrakt in Englisch

Microfluidics exhibits great capability in various research fields such as biology, chemistry or medicine. The lab-on-a-chip technology brings tremendous advantages over the conventional methods as it increases reaction kinetics, reduces reagent consumption and provides high throughput and parallelization capability. The aspect of parallelization on a large scale requires a powerful control paradigm where a large number of devices need to be manipulated by a small number of inputs. Even though, microfluidics has produced a variety of different platform technologies utilizing the most different physical effects the majority of technologies lack the ability to act on direct feedback from the process liquid. This results in a sophisticated external control unit off-chip which directly hinders high degrees of parallelization respectively integration. This work presents a microfluidic platform concept, which utilizes the volume phase transition of stimuli-responsive hydrogels on-chip to actively switch between fluid streams in a discrete operating manner. The volume phase transition combines the sensing and acting functionality in one component. Smart hydrogels are utilized in a transistor-like device which is capable to autonomously make switching decision exclusively depending on the chemical content of a fluid. The content comprising molecules and ions that exist simultaneously in a solution is viewed as carrier of chemical information. Thus, the chemo-fluidic transistor couples the molecular content of the liquid with the fluidic behavior of the system. The combination of the chemo-fluidic transistor and the analogy between electronics and microfluidic allowed the development of discrete basic circuits such as the logic gates AND, OR, NOT, and their negated counterparts rendering a complete computation. By consequently following the electronic paradigm more sophisticated modules are demonstrated such as an RS flip-flop or a chemo-fluidic oscillator circuit. The chemo-fluidic oscillator exhibits an autonomous oscillation in flow rate and concentration. The system architecture and circuitry allows a decoupling of the excitation stimulus and the emission concentration enabling future biological and medical application. This work discusses a novel concept for the implementation of microfluidic integrated circuits. Main aspects are examined such as technological requirements, the theoretical background, the signal variability and biological application of the system.

Abstrakt in Deutsch

Mikrofluidik zeigt enormes Potential in den Forschungsbereichen der Biologie, Chemie oder auch Medizin. Die Lab-on-a-Chip Technologie bringt dabei herausragende Vorteile gegenüber konventionellen Methoden wobei Reaktionskinetiken beschleunigt, Reagenzienverbrauch verringert und Hochdurchsatzsysteme und Parallelisierung ermöglicht werden. Der Aspekt der Parallelisierung in einem großen Maßstab setzt allerdings ein skalierbares Steuerkonzept voraus, wobei eine große Anzahl an aktiven Bauelementen mit einer kleinen Anzahl an Steuereingängen beeinflusst wird. Obwohl sich eine Vielzahl von mikrofluidischen Plattformtechnologien entwickelt hat, sind die wenigsten Technologien in der Lage eine direkte Rückkopplung aus dem Prozessmedium zu nutzen. Diese Technologien sind auf eine Reihe von externen technischen Aufbauten außerhalb des Chips angewiesen, die einer systematischen Miniaturisierung entgegenwirken. Diese Arbeit präsentiert ein mikrofluidisches Plattformkonzept, das stimuli-responsive Hydrogele auf der Chip-Ebene nutzt um aktiv und diskret Fluidströme zu schalten. Diese smarten Hydrogele vereinen sensorische und aktorische Funktionalität und sind demzufolge in der Lage autonom auf physikochemische Änderungen in ihrer Umgebungen zu reagieren. Hydrogele eingesetzt in einem transistorartigen Bauelement ermöglichen ein autonomes Steuern von Fluidströmen, das ausschließlich von der chemischen Zusammensetzung des Fluides abhängt. Das Fluid setzt sich aus Lösungsmittel und darin gelösten Ionen und Mole- külen zusammen und kann somit als Träger von chemischer Information betrachtet werden. Der chemo-fluidische Transistor ist somit in der Lage, die molekulare Zusammensetzung einer Lösung mit dem fluidischen Verhalten des Mikrosystems zu koppeln. Die Kombination aus chemo-fluidischem Transistor und der Analogie zwischen Elektronik und Mikrofluidik ermöglicht die Entwicklung von diskreten Basisschaltungen wie die Logikgatter UND, ODER, NICHT und deren negierte Entsprechungen. Unter Verwendung elektrischer Paradigmen konnten komplexere mikrofluidische Schaltungen entwickelt werden, wie am Beispiel des RS Flip-flops oder des chemo-fluidischen Oszillators gezeigt wird. Die Systemarchitektur ermöglicht hierbei ein Entkoppeln des Anregungsstimulus und des abgegebenen Mediums, was sich vorteilhaft für biologische Anwendungen erwieß. Von diesem neuartigen Konzept zur Implementierung von mikrofluidischen integrierten Schaltungen werden Aspekte wie technologische Voraussetzungen, theoretische Hintergründe, Signalvariabilität und die biologische Anwendung des Systems beleuchtet.