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Development of 3D printing technologies for manufacturing microfluidic devices for bioengineering applications

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Universitat de Barcelona. Facultat de Física

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[eng] Advancements in 3D printing have revolutionized microfluidic device fabrication, offering unprecedented flexibility and precision in the design and production of complex geometries. This thesis presents a comprehensive study utilizing a custom-made DLP-SLA 3D printer and commercially available resins to develop and evaluate microfluidic devices for applications in particle separation and fluid mixing under laminar flow conditions. A detailed analysis of printing errors was conducted, highlighting the challenges posed by over-curing effects, which significantly impact the ability to fabricate closed microchannels with high dimensional accuracy.
The research involved a dual approach of computational simulations and experimental validations to optimize device performance. Spiral microfluidic devices were designed and tested for particle separation, achieving efficient separation of particles larger than 75 µm under laminar flow conditions, with Reynolds numbers carefully analyzed to ensure optimal performance. Additionally, staggered herringbone mixers were developed to enhance mixing efficiency through chaotic advection. The results demonstrated effective mixing of fluids, confirming the versatility of these devices in achieving homogenous mixing even at low Reynolds numbers.
This work underscores the potential of DLP-SLA 3D printing in fabricating both open molds for PDMS replication and fully enclosed microchannels, offering a scalable and customizable alternative to traditional lithographic methods. The findings contribute to advancing the field of microfluidics, providing insights into the interplay between fabrication techniques, material properties, and device functionality. Future applications of these devices extend to biomedical diagnostics, chemical synthesis, and lab-on-a-chip systems, highlighting their relevance and impact in both research and industry.

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[cat] Els avenços en la impressió 3D han revolucionat la fabricació de dispositius microfluídics, oferint una flexibilitat i precisió sense precedents en el disseny i producció de geometries complexes. Aquesta tesi presenta un estudi exhaustiu que utilitza una impressora 3D DLP-SLA personalitzada i resines comercials per desenvolupar i avaluar dispositius microfluídics destinats a la separació de partícules i la barreja de fluids en condicions de flux laminar. S’ha realitzat un anàlisi detallat dels errors d’impressió, destacant els desafiaments plantejats pels efectes de sobre curat, que afecten significativament la capacitat de fabricar micro canals tancats amb alta precisió dimensional.
La investigació realitzada combina simulacions computacionals i validacions experimentals per optimitzar el rendiment dels dispositius. Es van dissenyar i provar dispositius microfluídics espirals per a la separació de partícules, aconseguint una separació eficient de partícules més grans de 75 µm en condicions de flux laminar, amb una anàlisi acurat dels nombres de Reynolds per garantir un rendiment òptim. A més, s’han desenvolupat mescladors herringbone per millorar l’eficiència de barreja mitjançant advecció caòtica. Els resultats han demostrat una barreja efectiva de fluids, confirmant la versatilitat d’aquests dispositius per aconseguir barreges homogènies fins i tot amb nombres de Reynolds baixos.
Aquest treball remarca el potencial de la impressió 3D DLP-SLA per fabricar tant motlles per a la replicació en PDMS com micro canals completament tancats, oferint una alternativa escalable i personalitzable als mètodes litogràfics tradicionals. Les troballes contribueixen a l’avenç del camp de la microfluídica, proporcionant informació sobre la interacció entre les tècniques de fabricació, les propietats dels materials i la funcionalitat dels dispositius. Les aplicacions futures d’aquests dispositius inclouen diagnòstics biomèdics, síntesi química i sistemes de laboratori en xip, destacant la seva rellevància i impacte tant en la recerca com en la indústria.

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[spa] Los avances en la impresión 3D han revolucionado la fabricación de dispositivos microfluídicos, ofreciendo una flexibilidad y precisión sin precedentes en el diseño y producción de geometrías complejas. Esta tesis presenta un estudio exhaustivo que utiliza una impresora 3D DLP-SLA personalizada y resinas comerciales para desarrollar y evaluar dispositivos microfluídicos destinados a la separación de partículas y la mezcla de fluidos en condiciones de flujo laminar. Se realizó un análisis detallado de los errores de impresión, destacando los desafíos planteados por los efectos de sobrecurado, que afectan significativamente la capacidad de fabricar micro canales cerrados con alta precisión dimensional.
La investigación combinó simulaciones computacionales y validaciones experimentales para optimizar el rendimiento de los dispositivos. Se diseñaron y probaron dispositivos microfluídicos espirales para la separación de partículas, logrando una separación eficiente de partículas mayores de 75 µm en condiciones de flujo laminar, con un análisis cuidadoso de los números de Reynolds para garantizar un rendimiento óptimo. Además, se desarrollaron mezcladores herringbone para mejorar la eficiencia de mezcla mediante advección caótica. Los resultados demostraron una mezcla efectiva de fluidos, confirmando la versatilidad de estos dispositivos para lograr mezclas homogéneas incluso en números de Reynolds bajos.
Este trabajo subraya el potencial de la impresión 3D DLP-SLA para fabricar tanto moldes para la replicación en PDMS como micro canales completamente cerrados, ofreciendo una alternativa escalable y personalizable a los métodos litográficos tradicionales. Los hallazgos contribuyen al avance del campo de la microfluídica, proporcionando información sobre la interacción entre las técnicas de fabricación, las propiedades de los materiales y la funcionalidad de los dispositivos. Las aplicaciones futuras de estos dispositivos incluyen diagnósticos biomédicos, síntesis química y sistemas de laboratorio en chip, destacando su relevancia e impacto tanto en la investigación como en la industria.

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Development of 3D printing technologies for manufacturing microfluidic devices for bioengineering applications