Standardized microfluidic chip and analysis method for hydrogel injectability

Abstract

The aim of this thesis was to develop a standardized method to analyze the injectability behaviour of hydrogels in microfluidic channels. Knowing the flow behavior and injectability of hydrogels in microchannels is important due to their usage in microchannels in various microfluidic devices. This standardized method was done by designing a simple microfluidic chip with three straight channels in which hydrogels with different mechanical properties were injected with constant pressure using a pressure controller and recording the flow of hydrogels through the channels. Video analysis was done by using MATLAB code capable of automatically analyzing large numbers of videos. This method allowed minimizing the effect of human error in studying hydrogel injectability. The flow behaviour of hydrogels was compared with their rheological properties which were collected by using a rotational rheometer. We found a correlation between hydrogels with short gelation time and the difficulty of their injectability, often involving hydrogel aggregates clogging the microchannels and uneven hydrogel front filled with air bubbles. Although the comparison between the injectability of hydrogels and their flow behavior was less thorough than what was planned, valuable information was still learned, and we established a base for future improvements.

Tämän diplomityön tavoitteena oli luoda standardoitu menetelmä analysoida hydrogeelien injektoitavuuden tutkimiseen mikrokanavissa. Hydrogeelien virtauskäyttäytymisen ja injektoitavuuden tunteminen ovat oleellisia asioita niiden laajan käytön takia mikrofluidistiikassa ja tämän menetelmän on tarkoitus vähentää mikrofluidististen sirujen käyttöön liittyviä kustannuksia. Tämän työn menetelmä saavutettiin suunnittelemalla yksinkertainen mikrofluidistinen chippi, jossa on kolme erikokoista suoraa kanavaa. Näiden kanavien läpi injektoitiin vakiopaineella paineenohjainta käyttäen useita hydrogeelejä, joilla oli erilaiset mekaaniset ominaisuudet. Videoanalyysi toteutettiin käyttäen MATLAB-koodia, jolla oli mahdollista analysoida suuri määrä videoita automaattisesti. Tämä menetelmän avulla ihmisvirheen määrä minimoitiin hydrogeelien injektoitavuuden mittaamisessa. Hydrogeelien virtauskäyttäytymistä verrattiin niiden reologisiin ominaisuuksiin, jotka oli mitattu rotaatioreometrillä. Nopeasti geeliytyvien hydrogeelien ja hankalan injektoinnin välillä löydettiin yhteys, johon yleensä liittyi hydrogeeliaggregaattejen aiheuttamat kanavatukokset ja ilmakuplien täyttämä epäsäännöllinen hydrogeelirintama. Vaikka vertaukset hydrogeelien injektoitavuuden ja niiden virtauskäyttäytymisen välillä olivat vähemmän perusteelliset kuin oli alunperin suunniteltu, saatiin tutkimuksesta silti arvokasta tietoa selville ja rakennettiin perusta, jota on mahdollista kehittää tulevaisuudessa.