Search

The last years have witnessed a link between the COVID-19 pandemic with increasing numbers of vulnerable patients and globally emerging incidences of severe drug-resistant fungal infections, thus, calling for rapid, reliable, and sensitive diagnostic tools for fungal infections. However, despite strong warnings from health authorities, such as the World Health Organization, concerning the fatal consequences of the global spread of drug-resistant pathogenic fungi, progress in fungal infection diagnosis and therapy is still limited. Today, gold standard methods for revealing resistance and susceptibility in pathogenic fungi, namely antifungal susceptibility testing (AFST), require several days for completion, and thus this lengthy process can adversely affect antifungal therapy and further promote the spread of resistance. In this work, the use of photonic silicon chips consisting of micropatterned diffraction gratings as sensitive sensors for rapid AFST of clinically relevant fungal pathogens is investigated. These photonic chips provide a surface for the colonization of microbial pathogens at a liquid-solid interface and serve as the optical transducer element for label-free monitoring of fungal growth by detecting real-time changes in the white light reflectance. These sensor elements are used to track morphological changes of fungi in the presence of clinically relevant antifungals at varying concentrations to rapidly determine the minimum inhibitory concentration (MIC) values that help to classify pathogens as resistant or susceptible. We show that by careful design of the chip dimensions, this optical method can extend from bacteria, through yeasts, to filamentous fungi for accelerated AFST, which is at least three times faster than current gold standard methods and can provide same-day results. Moreover, a 3D-printed microfluidic gradient generator was designed to complement the assay and provide an integrated system, which can potentially be employed in point

Type I diabetes (T1D) is an autoimmune disorder affecting the insulin-producing beta cells of the islets of Langerhans, disrupting the glucose homeostasis regulatory system. Nowadays, islet transplantation is one of the anticipated treatments to revive the endocrinal function by injecting isolated pancreatic islets from a deceased donor into the patient’s liver’s portal vein. Regardless of the promising aspect, the main issue prior to transplantation is the inconsistent quality and low percentage of functioning islets post-transplantation. Therefore, a rapid islet functionality test with minimal complicated operation becomes necessary to tackle the pre-transplantation issue. This project revolves around the end-to-end development of an electrophysiology recording platform to monitor extracellular activities in murine pancreatic islets. A microfluidic perfusion system with hydrodynamic trapping is integrated with planar gold microelectrode arrays (MEA) as the preliminary device directly interfacing the islets. The design and fabrication of both the microfluidics and electrode devices, as well as in-house front-end electronics with analog filters and amplifiers tailored to capture the microvolt-scale signals, covered most of the project. Offline digital processing was performed in Python to analyse the recorded signals further. As a result, the complete platform and recording setup have been fully integrated, with successful islet trapping on top of electrodes and front-end electronics with 220x voltage gain and 0.1-3000 Hz bandwidth to record extracellular electrophysiology signals from intact pancreatic islets. While the current preliminary electrophysiology recordings are still quite inconclusive and require further validation, the project serves as a starting point in developing devices for extracellular electrophysiology measurement, which has not commonly been investigated specifically in pancreatic islets, and enables further exploration in the field., Typ I-diabetes (T1D) är en autoimmun sjukdom som påverkar de insulinproducerande betacellerna på de Langerhanska öarna och stör det reglerande systemet för glukoshomeostas. Nuförtiden är ötransplantation en av de förväntade behandlingarna för att återuppliva den endokrina funktionen genom att injicera isolerade pankreasöar från en avliden donator i patientens levers portven. Oavsett den lovande aspekten är huvudfrågan före transplantation den inkonsekventa kvaliteten och låga andelen fungerande öar efter transplantationen. Därför blir ett snabbt funktionstest av öar med minimalt komplicerad operation nödvändigt för att ta itu med problemet före transplantation. Detta projekt kretsar kring end-to-end utveckling av en elektrofysiologisk inspelningsplattform för att övervaka extracellulära aktiviteter i murina pankreatiska öar. Ett mikrofluidiskt perfusionssystem med hydrodynamisk infångning är integrerat med plana guldmikroelektrodarrayer (MEA) som den preliminära enheten som direkt gränsar till öarna. Designen och tillverkningen av både mikrofluidik och elektrodenheter, såväl som intern front-end-elektronik med analoga filter och förstärkare skräddarsydda för att fånga signalerna i mikrovoltskala, täckte större delen av projektet. Offline digital bearbetning utfördes i Python för att analysera de inspelade signalerna ytterligare. Som ett resultat har den kompletta plattformen och inspelningsuppsättningen integrerats helt, med lyckad ö-infångning ovanpå elektroder och front-end-elektronik med 220x spänningsförstärkning och 0,1-3000 Hz för att registrera extracellulära elektrofysiologiska signaler från intakta pankreatiska öar. Medan de nuvarande preliminära elektrofysiologiska inspelningarna fortfarande är ganska ofullständiga och kräver ytterligare validering, fungerar projektet som en utgångspunkt för att utveckla enheter för extracellulär elektrofysiologisk mätning, som inte vanligtvis har undersökts specifikt i pankreasöar, och möjliggör ytterligare utforskning in

Infertility is a global challenge, often remedied with In vitro fertilization (IVF) and Intra cytoplasmic sperm injection (ICSI). Sperm quality is crucial, prompting ICSI when compromised. Routine sperm preparation via gradient centrifugation raises concerns about sperm stress and DNA fragmentation. Zymot, a new device that utilizes microfluidic technology, emerges as a promising alternative. It minimizes sperm stress and DNA damage, potentially enhancing fertilization rates and embryo quality. The aim of this study was to compare the outcome of ICSI samples treated with Zymot against gradient centrifuged samples. Focus was on fertilization rates, embryo quality, and pregnancy outcomes. The results of 104 Zymot treated samples from men with compromised sperm quality were compared with 144 gradient centrifugations retrospective. Results revealed a significant difference between methods in the number of pronulear (PN), specifically in the Good Quality Embryo (GQE) where 62% with Zymot were 2PN compared to 59% with gradient (p=0.017). No significant difference in pregnancy rates or embryo utilization rate were observed. A tendency towards higher proportion (54.6%) of Zymot-treated embryos were cryopreserved compared to gradient (49.4%, p=0,27). In conclusion, a significant difference between methods in the GQE proportion of 2PN embryos favored Zymot. Closer examination revealed a higher proportion of embryos cryopreserved with Zymot, suggesting a potential for increased treatment success in future cycles. Zymot, requiring less time, yielded equivalent results to gradient centrifugation, with higher GQE proportions and more embryos cryopreserved. This merits consideration as a high-quality alternative to sperm preparation for ICSI in cases of poor sperm quality.

Återvinning av litiumjonbatterier (LIB) är avgörande på grund av kritiska råmaterialreserver och miljöhänsyn vid kassering. Hydrometallurgisk LIB-återvinning, en framstående industriell teknik, står inför kostnadseffektivitets- och komplexitetsutmaningar. Samtidig kristallisering visar lovande för effektivisering av återvinning genom att extrahera föreningar från förbrukad batterilut med flera komponenter, vilket kräver hög renhet och effektiv kristallseparation. Detta innebär emellertid att man förhindrar oönskade polykristallina partiklar och samkristaller.Kristallisering är vanligt vid LIB-återvinning, men vanligtvis från enkomponentlösningar för att undvika föroreningar. Kärnbildningskontroll, särskilt i flerkomponentlösningar, är fortfarande utmanande, vilket påverkar industriell effektivitet. Sådd, en vanlig kontrollmetod, inducerar ofta oavsiktliga polykristallina partiklar och vätskeinneslutningar, som understuderas på grund av experimentella begränsningar. Microfluidics erbjuder ett värdefullt verktyg för att studera kristallisationskinetik, växla från utrustningsbaserad till prediktiv fysikalisk-kemisk design. Förbättrad blandning och värmeväxling gör den idealisk för kärnbildningsforskning under kristallisation. Denna avhandling fokuserar på avgörande aspekter av samtidig kristallisation. Huvudsyftet är att utveckla en optimerad mikrofluidisk design och simulera mikrofluidikkanalen för att bestämma initiala processparametrar för experiment samt att få det mest förutsägbara området för kristallbildning inom mikrofluidik. Utmaningar i de mikrofluidiska kristallisationssystemen, såsom kanalblockering, som lätt kan uppstå på grund av kristallbildning eller agglomerationer, har tyvärr begränsat de experimentella resultaten. Icke desto mindre kommer denna avhandling att stödja ytterligare experiment med mikrofluidikanordningen under mikroskopi som kommer att hjälpa till att övervinna dessa utmaningar. Arbete med att minska begränsningarna i denna avhandling kan, Recycling lithium-ion batteries (LIB) is essential due to critical raw material reserves and environmental concerns during disposal. Hydrometallurgical LIB recycling, a prominent industrial technology, faces cost-efficiency and complexity challenges. Simultaneous crystallization shows promise for streamlining recycling by extracting compounds from multicomponent spent battery liquor, demanding high purity and effective crystal separation. However, this entails preventing unwanted polycrystalline particles and cocrystals. Crystallization is common in LIB recycling, but usually from single-component solutions to avoid impurities. Nucleation control, especially in multicomponent solutions, remains challenging, affecting industrial efficiency. Seeding, a common control method, often induces unintended polycrystalline particles and fluid inclusions, which are understudied due to experimental limitations. Microfluidics offers a valuable tool for studying crystallization kinetics, shifting from equipment-based to predictive physical-chemical design. Enhanced mixing and heat exchange make it ideal for nucleation research during crystallization. This thesis focuses on crucial aspects of simultaneous crystallization. The main objective is to develop an optimized microfluidic design and simulate the microfluidic channel to determine initial process parameters for experimentation as well as to get the most predictable region of crystal formation within microfluidics. Challenges in the microfluidic crystallization systems, such as channel blockage, which can easily occur due to crystal formation or agglomerations, have unfortunately limited the experimental results. Nonetheless, this thesis will support the further experimentation of the microfluidics device under microscopy which will help to overcome these challenges. Work on reducing the limitations of this thesis can assist in understanding the multicomponent crystallization in real-time and indeed, the necessary setup and i

Some of the major obstacles the microfluidics industry has yet to overcome in order to facilitate large scale manufacturing of devices are costly back-end processes. Among these, bonding presents some of the most obvious difficulties and is often associated with structural deformation and surface modification. Off-stoichiometric thiol-ene (OSTE) is a relatively new material and hasn’t yet achieved the same level of adoption as Polydimethylsiloxane (PDMS) which has been the go-to material in the field of microfluidics for over two decades. OSTE offers an alternative to PDMS and promises bonding without surface treatment as well as a hydrophilic surface, removing a step in the manufacturing process. In this work, the property of OSTE to bond with a variety of commonly used thermoplastic materials were tested as well as its suitability for use in pharmaceutical devices such as Lab-on-a-chip. In addition to untreated OSTE, a surface modifier was used to examine the potential for surface modification when using OSTE as a microfluidics material. From the testing performed, we demonstrated OSTE’s capacity to form robust bonds with a range of thermoplastic materials as well as comparable biocompatibility to PDMS., Bland de största hindren som industrin ännu ej löst när det kommer till storskalig produktion av mikrofluidiska produkter är kostsamma ”back-end” processer. Av dessa presenterar bindingsprocesser några av de mest uppenbara svårigheterna och medför ofta deformationer av finstrukturer samt ändringar i ytkemi. Off-stoichiometric thiolene (OSTE) är ett relativt nytt material och har ännu inte blivit lika utbrett i sin använding som Polydimethylsiloxane (PDMS) vilket har varit standardmaterialet i mikrofluidik i över två årtionden. OSTE erbjuder ett alternativ till PDMS, med bindingsprocesser som ej kräver ytterligare ytmodifikationer och en hydrofil yta, vilket eliminerar ett steg i tillverkningsprocessen. I detta arbete undersöktes egenskapen av OSTE att binda till en rad ofta använda thermoplaster samt dess lämplighet i medicinskt bruk, i system som ”Lab-on-a-chip”. Förutom obehandlad OSTE, så användes en ytmodifierare för att undersöka möjligheten för ytmodifiering vid användingen av OSTE i mikrofluidik. Resultaten av våra tester visade OSTE’s förmåga att forma robusta bindingar till en rad thermoplaster så väl som en jämförbar biokompatibilitet till PDMS.

Ein dreidimensionales Objekt als eine Summe von zweidimensionalen Schichten zu begreifen, ist die zentrale Idee der additiven Fertigungstechniken, die auch unter dem Ausdruck 3D-Druck bekannt sind. Besondere Bedeutung hat der 3D-Druck hierbei zur Fertigung von individuellen Einzelstücken als auch zum schnellen Prototyping erlangt, denn Modelle werden auf Knopfdruck plastische Realität. Auch dank immer besserer Druckauflösungen in Kombination mit einem hohen Grad an Designfreiheit bietet der 3D-Druck den Fachbereichen der Biotechnologie und Biosensorik Chancen, neue Ansätze der Miniaturisierung mithilfe schneller Iterationszyklen maßgeschneidert in den experimentellen Ablauf zu integrieren. In der vorliegenden Dissertation wurden ausgewählte Anwendungen für das biotechnologische Labor miniaturisiert und mit einem hochauflösenden 3D-Drucker gefertigt. Dazu gehören Anwendungen zur Separation von Biomolekülen, Sensorintegration sowie die automatische Erstellung von Verdünnungsreihen. Mittels der Flexibilität des 3D-Drucks konnten Konzepte umgesetzt werden, die die Anpassung an variierende experimentelle Aufbauten erleichtern sollen. 3D-Druck erlaubte eine schnelle Optimierung der Systeme, während die Miniaturisierung den Platzbedarf und den Verbrauch an Reagenzien verringerte. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine kontinuierliche Separationseinheit in Form einer miniaturisierten Frei-Fluss Elektrophorese mittels eines modularen Ansatzes umgesetzt. Externe Komponenten wie Elektroden und nanoporöse Membranen konnten so zuverlässig mittels eines additiv gefertigten Stecksystems integriert werden. Die resultierenden stabilen elektrischen Felder erlaubten es, Farbstoffe und Aminosäuren in einem kontinuierlichen Ansatz zu separieren. Im zweiten Teil wurden kommerzielle, elektrochemische Sensoren in additiv gefertigte, statische und dynamische Durchflusszellen integriert, mit dem Ziel, eine kontrollierte Umgebung für biosensorische Experimente zu schaffen. Dieser Aufbau wurde v, Understanding a three-dimensional object as a sum of two-dimensional layers is the central idea of additive manufacturing techniques, also known as 3D printing. 3D printing has become particularly important for the production of customized applications as well as for rapid prototyping, since models become plastic reality at the touch of a button. Thanks to ever-improving printing resolutions – together with the high degree of design freedom – 3D printing offers the fields of biotechnology and biosensors opportunities to integrate new approaches of miniaturization into the experimental process in a tailored manner with the aid of rapid iteration cycles. In this dissertation, selected applications for the biotechnological laboratory were miniaturized and fabricated using a high-resolution 3D printer. These applications include the separation of biomolecules, the integration of sensor technology, and the automatic creation of dilution series. Using the flexibility of 3D printing, adaptation concepts for varying experimental setups could be successfully implemented. 3D printing allowed for rapid optimization of the systems, while miniaturization reduced space requirements and reagent consumption. In the first part of this work, a continuous separation unit in the form of a miniaturized free-flow electrophoresis was implemented using a modular approach. External components such as electrodes and nanoporous membranes were reliably integrated by means of an additively manufactured plug-in system. The resulting stable electric fields allowed for the separation of dyes and amino acids in a continuous approach. In the second part, commercial electrochemical sensors were integrated into additively manufactured static and dynamic flow cells with the aim of creating a controlled environment for experiments. This setup was used to specifically quantify the bacterium Escherichia coli Crooks by combining aptasensing and electrochemical impedance spectroscopy. In the third part, a m

Die transiente Transfektion wird genutzt, um genetisches Material in Säugerzellen zu transportieren. Die Besonderheit liegt darin, dass die genetische Information nicht in das Genom der Wirtszellen integriert wird. Dadurch können mit diesem Transfektionsverfahren innerhalb weniger Tage kleine Proteinmengen produziert werden. Allerdings wird die eingebrachte genetische Information bei der Zellteilung nicht kopiert und auf die Tochterzellen verteilt, sodass sie mit der Zeit verloren geht. Diese Transfektionsmethode wird daher eingesetzt, wenn nur geringe Proteinmengen schnell hergestellt werden müssen, beispielsweise in vorklinischen Untersuchungen der Biopharmazeutikaentwicklung oder im akademischen Umfeld. In dieser Arbeit wurde ein mikrofluidisches System entwickelt, das die Schritte der transienten Transfektion automatisiert. Dafür wurden die unterschiedlichen Elemente des Gesamtsystems – ein Mikromischer, eine Inkubationseinheit und ein Spiralseparator zur Zellseparation – einzeln entwickelt, mittels hochauflösendem 3D-Druck hergestellt und charakterisiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden verschiedene Mikromischerdesigns aus der Literatur mittels 3D- Druck hergestellt und miteinander verglichen. Hierbei wurde die Effektivität der Mischer in Bezug auf ihre Länge bzw. ihr Volumen bei unterschiedlichen Flussraten bewertet und untersucht, ob die Mischer einen Einfluss auf die Viabilität der CHO-Zellen (chinesische Hamsterovarienzellen) haben. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein mikrofluidischer Spiralseparator entwickelt und charakterisiert, um die Zellen nach der Transfektion von den toxischen Transfektionschemikalien zu trennen. Das entwickelte System erlaubt durch eine Pumpe an einem der zwei Ausgänge der Separationsspirale das Einstellen der Separationseffizienz von über 95 % bei Zellkonzentrationen von bis zu 20 · 106 Zellen mL-1. Im dritten Teil der Arbeit wurde zunächst ein kleineres mikrofluidisches Transfektionssystem entwickelt, in dem ca. 5 mL Zellsus, Transient Transfection is used to transport genetic material into mammalian cells. The distinguishing feature of transient transfection is that the genetic material does not integrate into the genome of the host cell line. Therefore, this transfection method can be used to produce small quantities of proteins in a matter of days. However, the imported genetic information does not get copied during cell proliferation and gets lost over time. Consequently, this transfection method is used to quickly produce small quantities of protein, for instance, in pre-clinical studies in biopharmaceutical development or academic research. In this work, a microfluidic system was developed to automate the steps of transient transfection. The single modules of the system – micromixer, incubation platform and cell separator – were designed and manufactured using 3D printing technology and characterized. In the first part of this work, different micromixer designs were adapted for 3D printing from literature and compared to one another. The effectivity of the mixers was evaluated for different flow rates with regard to the length and volume of the mixers. Moreover, the influence of the micromixer on cell viability was determined. In the second part of this work, a microfluidic spiral separator was developed to separate the cells from the toxic transfection detergent PEI (polyethylenimine) after transfection. By using a second pump at the spiral outlet, the separation efficiency could be controlled at cell concentrations of up to 20 · 106 cells mL-1. In the third part of this work, a smaller transfection system was developed for transfection of approximately 5 mL of cell suspension for optimization of the incubation time. In this system, cells were mixed with DNA and the transfection detergent PEI using an integrated micromixer and then incubated for a specified time until the transfected cells were transferred to fresh medium. Secondly, a continuous transfection system was developed c

Dispersed non-spherical particles are the fundamental constituent of many complex fluids. Such fluids are studied both for their industrial and scientific importance, and for their peculiar functional properties (mechanical, optical, thermal, fluidic). One exemplar is cellulose nanofibrils (CNF), a biopolymer made of nanoscale particles with remarkable mechanical properties that has been found to be the potential candidate for the fabrication of sustainable and bio-compatible materials. To synthesize and characterise the behaviour of such non-spherical particles in flowing dispersions, microfluidic platforms have emerged as powerful tools. However, the scientific understanding of the fundamental role of the fluid dispersion properties and flow parameters on the microflow dynamics is still inadequate. In this thesis work, a combined numerical and experimental investigation with diverse set of microfluidic flow focusing devices are adopted to measure, analyse, and understand the micro- and macro-scale morphologies of flowing dispersions. A high-viscosity colloidal dispersion liquid made of cellulose nanofibrils suspended in water (the solvent) is hydrodynamically focused with the low-viscosity solvent liquid. A 3D colloidal viscous thread structure is formed, which is characterized using optical coherence tomography (OCT) measurements and computational fluid dynamics (CFD) simulations. The studies show that if the Péclet number is large (diffusion of the particles is slower than the convective time scale of the flow), the concentration gradient between two in-homogeneous miscible fluids (colloidal dispersion and its own solvent) gives rise to Korteweg stresses, emulating the effect of interfacial tension in the form of effective interfacial tension (EIT). In addition, scaling laws describing the complex interplay between viscous, inertial and capillary effects in microchannels have been identified, and are in turn used to estimate the fluid properties. Further, the, Icke-sfäriska nanopartiklar är den grundläggande byggstenen i många komplexa vätskor. Sådana vätskor studeras både på grund av deras industriella och vetenskapliga betydelse och på grund av deras intressanta egenskaper (mekaniska, optiska, termiska och fluidiska). Ett exempel på sådana partiklar är cellulosanofibriller (CNF), en biopolymer med anmärkningsvärda mekaniska egenskaper som har stor potential för tillverkning av hållbara och biokompatibla material. Ett kraftfullt verktyg för syntes och karakterisering av sådana icke-sfäriska partiklar i strömmande dispersioner är mikrofluidik, men den vetenskapliga förståelsen av partiklarnas och dispersionernas beteende i mikrofluidiksystem är fortfarande otillräcklig. I denna avhandling kombineras numeriska och experimentella metoder för att mäta, analysera och förstå flödande dispersioners makroskopiska och de ingående partiklarnas mikroskopiska beteende i olika strömningssituationer. Det specifika strömningsfall som studeras är strömningsfokusering: en högviskös kolloidal dispersion bestående av cellulosanofibriller i vatten fokuseras hydrodynamiskt av ett yttre flöde med rent vatten med låg viskositet i en kanal. Det kan då skapas högviskös "tråd" i kanalen. Detta flöde karakteriseras med hjälp av optisk koherenstomografi (OCT) och CFD-simuleringar (Computational Fluid Dynamics). Om Péclet-talet här stort (vilket betyder att partiklarnas diffusionshastighet är lägre än strömningshastigheten) ger koncentrationsgradienten mellan två homogena, blandbara vätskor (kolloidal dispersion och dess eget lösningsmedel) upphov till Korteweg-spänningar, vilka kan modelleras med en effektiv ytspänning (EIT). Skalningslagar som beskriver de komplexa kopplingarna mellan effekter av viskositet, tröghet och ytspänning i mikrokanalen system har tagits fram, och skalningslagarna används i sin tur för att uppskatta vätskeegenskaperna. Även det kollektiva beteendet hos nanofibrillerna själva har studerats. Numeriskt modellerade, QC 230918

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., QC 20220120

The field of organ-on-chip is a relatively new area of research and builds upon the principle of engineering microfluidic systems to mimic the body’s internal environment as precisely as possible. Eventually these models could hopefully simulate whole organ-systems and enable the examination of the cell’s or organ’s reaction to foreign substances like new pharmaceuticals in a better way than current models. Previously this has been done with in vitro models such as petri dishes that only offer static culturing conditions. These are not very realistic environments compared to the human body where the cells are exposed to both variations in pressure and flows among other things. The purpose of this bachelor’s thesis project has been to evaluate and improve the design of an organ-on-chip system developed by the EMBLA-group at Ångströmslaboratoriet, Uppsala university. This has been done by evaluating the manufacturing process to find areas of improvements of the current chip design, as well as conducting a literature study to understand key components of similar organ-on-chip systems and see if it is possible to implement relevant parts to the organ-on-chip of this project. One of these important parts is a so-called bubble trap. A bubble trap is a construction that enables the capturing and elimination of bubbles in the system since the bubbles can harm the chips components, kill the cells, and compromise measurements. A first prototype of the bubble trap was developed in Polydimethylsioxane (PDMS) and integrated on the EMBLA-group’s chip design. The principle behind the bubble trap was to use the natural buoyancy of the bubbles to trap them. This was done by introducing an upwards going slope before the inlets to the chip. In this manner the bubbles would float up to the top of the slope and accumulate at the roof as the liquid moved on into the chip without bubbles. To make the bubbles leave the chip a low-pressure chamber was added on top of the bubble trap to hel, Organ-på-chip (Organ-on-chip eller OoC) är ett relativt nytt forskningsområde som bygger på att mikrofluidiksystem utvecklas till att efterlikna människokroppen i så stor utsträckning som möjligt. Detta då det är attraktivt att kunna undersöka cellers/organs beteende vid tillförsel av vissa substanser, till exempel nya läkemedel. I tidigare in vitro modeller har det endast observerats och utförts tester på celler odlade i statiska förhållanden vilket inte är likt den omgivning cellerna har i människokroppen där de tex utsätts för olika vätskeflöden och tryckförändringar. Syftet med detta examensarbete har varit att utvärdera och förbättra designen på ett OoC system utvecklat av EMBLA-gruppen på Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet. Detta har gjorts genom att studera den nuvarande tillverkningsprocessen för att hitta relevanta förbättringsområden samt att genom en litteraturstudie undersöka viktiga delar som bör ingå i dessa typer av system. En av dessa delar är en bubbelfälla (bubble trap eller BT) vilket innebär att det i chippet bör finnas ett sätt att eliminera/fånga upp bubblor. Detta eftersom bubblorna kan orsaka stor skada på både chipet, cellerna och mätningarna som skall utföras. En första prototyp av en BT design i Polydimetylsiloxan (PDMS) utvecklades och integrerades på EMBLA-gruppens OoC design. Principen bakom BT-designen var att utnyttja bubblornas flytkraft vilket gjordes genom att introducera en uppåtgående backe innan ingångskanalen. Bubblorna kan därmed flyta upp till toppen av lutningen och vätskan kan fortsätta in i mikrochipset utan bubblor. För att bubblorna ska ta sig ut ur chippet integrerades en tryckkammare ovanpå BT-designen för att få bubblorna att diffundera ut genom taket i den uppåtgående kammaren och ut ur chippet. Utvecklingen av den förbättrade chip-designen visade sig var tidskrävande och tiden för att utvärdera designens funktionalitet blev för kort. Ett test gjordes på den nya chip-designen vilket visade att den utveck

Lack of clinical relevance is assumed to be the main reason behind the high failure rate of medical drugs in the very initial phases of clinical trials. Clinical relevance is difficult to achieve with current tools as they lack the biological and physiological cues found in vivo. Microfluidics, the knowledge of fluid manipulation in small channels, has proven to be a promising science to bridge the gap between the current in vitro and the real in vivo features. In this thesis, a scaffold for the growth of spheroids inside a microfluidic device for potential drug screening was developed. Firstly, the surface of a microfluidic device was coated with the polymers cellulose nanofibrils, polyallylamine hydrochloride, and polyethyleneimine using the Layer-by-Layer technique to achieve an even surface coverage. Here, different chip designs, polymer concentrations, and pressure directions were tested. It was decided that using a negative pressure direction with a polymer concentration of 50 mg/L in a chip design with micropillars was optimal and these conditions were then used for testing the spheroid formation. Secondly, spheroids were grown inside the microfluidic channels using different coatings: the previously mentioned polymer buildup, one non-coated channel, and one coated with attachment factor proteins. These three surface conditions were compared and it was shown that the polymer-based surface cover was indeed superior as a scaffold as it encouraged and promoted cell growth in the spheroid formation of liver cancer cells from the HepG2 cell line. Further development of this cellulose nanofibrils-coated microfluidic device displays a promising future for functioning as an in vitro 3D cell culture model that better mimics the close-to-cell microenvironments by imitating cell proliferation, cell-to-cell, and cell-to-extracellular matrix interactions., Sammanfattning Den främsta orsaken bakom den höga antal misslyckade kliniska läkemedelsprövningar i de initiala faserna antas bero på brist på klinisk relevans. Klinisk relevans är mycket svår att uppnå med dagens verktyg då de saknar de biologiska och fysiologiska förhållandena som återfinns in vivo. Mikrofluidik, kunskapen om vätskemanipulation i små kanaler har visat sig vara lovande vetenskap för att överbrygga klyftan mellan de nuvarande in vitro och de faktiska in vivo funktionerna. I detta arbete utvecklades en matris för sfäroider att växa på inuti en mikrofluidisk kanal för att potentiellt användas till läkemedelsscreening. Först användes Layer-by-Layer teknologi för att jämnt betäckta ytan inuti en mikrofluidisk kanal med polymererna cellulosananofibriller, polyallylamin hydroklorid samt polyetylenimin. Här testades olika designer på mikrofluidiska chip, polymerkoncentrationer samt tryckriktningar. Utifrån detta gick det att fastställa att negativt tryck med en polymerkoncentration på 50 mg/L i en chippdesign med mikropelare var optimal för en jämn ytbetäckning och dessa förhållanden användes sedan för att pröva sfäroidernas tillväxt. Härnäst testades därmed sfäroidernas tillväxt inuti mikrofluidiska kanaler under tre olika förhållanden: ett med polymerbetäckningen, ett utan betäckning och ett då ytan var täckt med proteiner med fästfaktorer. Dessa tre förhållanden jämfördes sedan med varandra och således gick det att konstatera att den polymerbaseradebetäckningen fungerade överlägset som matris för tillväxt av HepG2 lever cancer cell sfäroider eftersom den tycks främja dess tillväxt och bildning. Det pekar mot att ytterligare utveckling av denna cellulostäckta yta skulle innebära en lovande modell för in vitro 3D cellodling som bättre efterliknar den cellulära mikromiljön genom att imitera cellproliferation, interaktioner celler emellan samt mellan cell och extracellulär matrisen.

Mikrofluidische Systeme werden zur Manipulation von Flüssigkeiten auf Mikroebene eingesetzt. Von ihnen profitieren insbesondere Biowissenschaften durch die Reduktion von Reagenzien und die Automatisierung ganzer Arbeitsabläufe. Die Mikrostrukturierung erlaubt zudem die Entwicklung neuartiger mikrofluidischer Zellkultursysteme wie den organ-on-a-chip Systemen. Diese Systeme zeichnen sich durch eine höhere physiologische Relevanz gegenüber klassischen in vitro Systemen aus und können zur Rekonstruktion einzelner Organfunktionen genutzt werden. Aufgrund ihrer komplizierten Fertigung wird jedoch der Zugang zu diesen Systemen für Biowissenschaftler:innen er-schwert, sodass ihr Potential noch kaum in kommerziellen Produkten realisiert werden konnte. Eine Lösung bietet die additive Fertigung (3D-Druck) mikrofluidischer Systeme, durch die die unkomplizierte Herstellung eigener Prototypen an Ort und Stelle ermöglicht wird. Um den 3D-Druck jedoch auch für die Herstellung mikrofluidischer Zellkultursysteme nutzen zu können, benötigt es deutlich mehr Biokompatibilitätsstudien zu neuen 3D-Druckmaterialien. In diesem Sinne wurde in dem ersten Teil dieser Arbeit die in vitro Biokompatibilität eines aus Polyacrylat bestehenden, hitzebeständigen 3D-Druckmaterials sowie dessen Eignung für die Heißdampfsterilisation untersucht. Dabei konnte eine Biokompatibilität gegenüber adhärenten Mausfibroblasten und Hefezellen nachgewiesen werden. Diese Ergebnis-se ermöglichen somit den Einsatz des Materials für die Zellkultur. Die Biokompatibilität blieb auch nach Heißdampfsteri-lisation unbeeinträchtigt, sodass mit diesem Material gedruckte Zellkultursysteme unkompliziert sterilisiert werden können. Im Gegensatz dazu erwies sich das Material für menschliche embryonale Nierenzellen in Suspension als schädlich, was die Bedeutung einer auf den Organismus und die Anwendung zugeschnittenen Biokompatibilitätsprü-fung verdeutlicht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde das evaluierte 3D-Druckmaterial zu