Tato disertační práce je zaměřena na aplikaci nano- a mikrostrukturalizačních technik a přípravu mikrofluidních zařízení využitelných v biologických a lékařských aplikacích. Cílem této práce je zvýšení biokompatibility a funkcionality nových typů materiálů, jako jsou nestechiometrické thiol-ene-epoxidy (OSTE+) a kopolymery cyklických olefinů (COC) a jejich integrace do funkčních mikrofluidních zařízení. Významná část výzkumu byla věnována optimalizaci litografických procesů pro efektivní přenos vzorů, což je klíčový krok při výrobě mikrofluidních struktur s vysokou přesností. Pro modifikaci povrchů byly využity metody jako jsou plazmové modifikace, inotové ozařování, laserově asistovaná depozice a chemická modifikace. Tyto metody byly použity k nano- a mikrostrukturování těchto povrchů s cílem zlepšit přilnavost buněk a funkcionalitu rozhraní zařízení. Tyto modifikace jsou zásadní pro použití v biologických a lékařských aplikacích, jako je kultivace buněk a lékařská diagnostika. Výzkum zahrnoval vývoj různých typů mikrofluidních zařízení a demonstraci jejich potenciálu v praktických aplikacích, jako je kultivace buněk, 3D tvorba buněčných sféroidů a immunozáchyt vzácných buněk. Tato dizertace nejen posouvá možnosti mirkofluidních technologií, ale také demonstruje kritickou roli výběru a modifikace materiálů v rozvoji technologií souvisejících se zdravotní péčí a důležitost škálovatelnosti mikrofabrikačních technik s ohledem na jejich budoucí využití v komerční výrobě.
Anotace v angličtině
This dissertation explores the advancement of nano- and microstructuring techniques and their applications in bio- and medical fields through the development of microfluidic devices. By investigating the integration of novel materials such as off-stoichiometry thiol-ene-epoxy (OSTE+) polymers and cyclic olefin copolymers (COC), the aim was to enhance the biocompatibility and functional performance of these materials and incorporate them into microfluidic systems. A significant portion of the research was dedicated to optimizing lithography processes for efficient pattern transfer, a crucial step in fabricating precise and functional microfluidic structures. Methods such as plasma treatment, ion irradiation, laser-assisted deposition, and chemical modification were used to nano- and microstructure these surfaces in order to improve cell adhesion and functionality of the device interfaces. This is crucial for bio- and medical applications such as cell culturing and diagnostics. The research included the development of various microfluidic devices, demonstrating their potential in practical applications such as cell culture, 3D tumor generation and cultivation, and rare cell immunocapture. These findings contribute to the field by providing insights into the scalability of microfabrication techniques and proposing a pathway from laboratory prototypes to commercial production. This work not only pushes forward the boundaries of microfluidic technology but also demonstrates the critical role of material science in the advancement of healthcare-related technologies.
Tato disertační práce je zaměřena na aplikaci nano- a mikrostrukturalizačních technik a přípravu mikrofluidních zařízení využitelných v biologických a lékařských aplikacích. Cílem této práce je zvýšení biokompatibility a funkcionality nových typů materiálů, jako jsou nestechiometrické thiol-ene-epoxidy (OSTE+) a kopolymery cyklických olefinů (COC) a jejich integrace do funkčních mikrofluidních zařízení. Významná část výzkumu byla věnována optimalizaci litografických procesů pro efektivní přenos vzorů, což je klíčový krok při výrobě mikrofluidních struktur s vysokou přesností. Pro modifikaci povrchů byly využity metody jako jsou plazmové modifikace, inotové ozařování, laserově asistovaná depozice a chemická modifikace. Tyto metody byly použity k nano- a mikrostrukturování těchto povrchů s cílem zlepšit přilnavost buněk a funkcionalitu rozhraní zařízení. Tyto modifikace jsou zásadní pro použití v biologických a lékařských aplikacích, jako je kultivace buněk a lékařská diagnostika. Výzkum zahrnoval vývoj různých typů mikrofluidních zařízení a demonstraci jejich potenciálu v praktických aplikacích, jako je kultivace buněk, 3D tvorba buněčných sféroidů a immunozáchyt vzácných buněk. Tato dizertace nejen posouvá možnosti mirkofluidních technologií, ale také demonstruje kritickou roli výběru a modifikace materiálů v rozvoji technologií souvisejících se zdravotní péčí a důležitost škálovatelnosti mikrofabrikačních technik s ohledem na jejich budoucí využití v komerční výrobě.
Anotace v angličtině
This dissertation explores the advancement of nano- and microstructuring techniques and their applications in bio- and medical fields through the development of microfluidic devices. By investigating the integration of novel materials such as off-stoichiometry thiol-ene-epoxy (OSTE+) polymers and cyclic olefin copolymers (COC), the aim was to enhance the biocompatibility and functional performance of these materials and incorporate them into microfluidic systems. A significant portion of the research was dedicated to optimizing lithography processes for efficient pattern transfer, a crucial step in fabricating precise and functional microfluidic structures. Methods such as plasma treatment, ion irradiation, laser-assisted deposition, and chemical modification were used to nano- and microstructure these surfaces in order to improve cell adhesion and functionality of the device interfaces. This is crucial for bio- and medical applications such as cell culturing and diagnostics. The research included the development of various microfluidic devices, demonstrating their potential in practical applications such as cell culture, 3D tumor generation and cultivation, and rare cell immunocapture. These findings contribute to the field by providing insights into the scalability of microfabrication techniques and proposing a pathway from laboratory prototypes to commercial production. This work not only pushes forward the boundaries of microfluidic technology but also demonstrates the critical role of material science in the advancement of healthcare-related technologies.
Student ve své dizertační práci provede ucelenou literární rešerši, která poskytne přehled o materiálech a metodách nano- a mikrostrukturace, využitelných pro přípravu funkčních materiálů vhodných pro mikrofluidní bio a medicínské aplikace.
V experimentální části provede optimalizaci technik a postupů pro vytváření nano a mikrostruktur pomocí litografických technik s ohledem na využití pro masovou výrobu.
Dále bude realizovat výzkum týkající se strukturace povrchu nových polymerních materiálů využitelných pro zlepšení buněčné adheze v mikrofluidních systémech pro bioaplikace.
Následně využije tyto materiály pro přípravu mikrofluidních zařízení s modifikovanými povrchy využitelnými v bioaplikacích.
Student se rovněž zaměří na povrchovou modifikaci skleněných substrátů pro přípravu funkčních povrchů integrovatelných do mikrofluidních zařízení pro tekuté biopsie.
V závěru práce student zhodnotí dosažení stanovených cílů a úkolů. Rozsah a členění dizertační práce bude odpovídat platným normám, které jsou stanoveny vnitřními předpisy PřF UJEP.
Zásady pro vypracování
Student ve své dizertační práci provede ucelenou literární rešerši, která poskytne přehled o materiálech a metodách nano- a mikrostrukturace, využitelných pro přípravu funkčních materiálů vhodných pro mikrofluidní bio a medicínské aplikace.
V experimentální části provede optimalizaci technik a postupů pro vytváření nano a mikrostruktur pomocí litografických technik s ohledem na využití pro masovou výrobu.
Dále bude realizovat výzkum týkající se strukturace povrchu nových polymerních materiálů využitelných pro zlepšení buněčné adheze v mikrofluidních systémech pro bioaplikace.
Následně využije tyto materiály pro přípravu mikrofluidních zařízení s modifikovanými povrchy využitelnými v bioaplikacích.
Student se rovněž zaměří na povrchovou modifikaci skleněných substrátů pro přípravu funkčních povrchů integrovatelných do mikrofluidních zařízení pro tekuté biopsie.
V závěru práce student zhodnotí dosažení stanovených cílů a úkolů. Rozsah a členění dizertační práce bude odpovídat platným normám, které jsou stanoveny vnitřními předpisy PřF UJEP.
Seznam doporučené literatury
Becker H, Gärtner C. Polymer microfabrication technologies for microfluidic systems. Anal Bioanal Chem. 2008;390(1):89-111. doi:10.1007/s00216-007-1692-2
Bhatia SN, Ingber DE. Microfluidic organs-on-chips. Nat Biotechnol. 2014;32(8):760-772. doi:10.1038/nbt.2989
Descamps L, Le Roy D, Deman AL. Microfluidic-Based Technologies for CTC Isolation: A Review of 10 Years of Intense Efforts towards Liquid Biopsy. Int J Mol Sci. 2022;23(4):1981. doi:10.3390/ijms23041981
Hwang J, Cho YH, Park MS, Kim BH. Microchannel Fabrication on Glass Materials for Microfluidic Devices. Int J Precis Eng Manuf. 2019;20(3):479-495. doi:10.1007/s12541-019-00103-2
Ikada Y. Surface modification of polymers for medical applications. Biomaterials. 1994;15(10):725-736. doi:10.1016/0142-9612(94)90025-6
Lee SJJ, Sundararajan N. Microfabrication for Microfluidics. Artech House; 2010.
Lei KF. Materials and Fabrication Techniques for Nano- and Microfluidic Devices. In: Labeed FH, Fatoyinbo HO, eds. Microfluidics in Detection Science. The Royal Society of Chemistry; 2014:1-28. doi:10.1039/9781849737609-00001
Marletta G. Ion-Beam Modification of Polymer Surfaces for Biological Applications. In: Bernas H, ed. Materials Science with Ion Beams. Vol 116. Topics in Applied Physics. Springer Berlin Heidelberg; 2009:345-369. doi:10.1007/978-3-540-88789-8_12
Niculescu AG, Chircov C, Bîrcă AC, Grumezescu AM. Fabrication and Applications of Microfluidic Devices: A Review. Int J Mol Sci. 2021;22(4):2011. doi:10.3390/ijms22042011
Qin D, Xia Y, Rogers JA, Jackman RJ, Zhao XM, Whitesides GM. Microfabrication, Microstructures and Microsystems. In: Manz A, Becker H, eds. Microsystem Technology in Chemistry and Life Science. Vol 194. Topics in Current Chemistry. Springer Berlin Heidelberg; 1998:1-20. doi:10.1007/3-540-69544-3_1
Ren K, Zhou J, Wu H. Materials for Microfluidic Chip Fabrication. Acc Chem Res. 2013;46(11):2396-2406. doi:10.1021/ar300314s
Rivet C, Lee H, Hirsch A, Hamilton S, Lu H. Microfluidics for medical diagnostics and biosensors. Chem Eng Sci. 2011;66(7):1490-1507. doi:10.1016/j.ces.2010.08.015
Sackmann EK, Fulton AL, Beebe DJ. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 2014;507(7491):181-189. doi:10.1038/nature13118
Sengupta P, Khanra K, Chowdhury AR, Datta P. Lab-on-a-chip sensing devices for biomedical applications. In: Bioelectronics and Medical Devices. Elsevier; 2019:47-95. doi:10.1016/B978-0-08-102420-1.00004-2
Trimukhe AM, Pandiyaraj KN, Tripathi A, Melo JS, Deshmukh RR. Plasma Surface Modification of Biomaterials for Biomedical Applications. In: Tripathi A, Melo JS, eds. Advances in Biomaterials for Biomedical Applications. Vol 66. Advanced Structured Materials. Springer Singapore; 2017:95-166. doi:10.1007/978-981-10-3328-5_3
Whitesides GM. The origins and the future of microfluidics. Nature. 2006;442(7101):368-373. doi:10.1038/nature05058
Wong JY, Bronzino JD, Peterson DR, eds. Biomaterials: Principles and Practices. Taylor & Francis; 2013.
Yan J, Li Z, Guo J, Liu S, Guo J. Organ-on-a-chip: A new tool for in vitro research. Biosens Bioelectron. 2022;216:114626. doi:10.1016/j.bios.2022.114626
Seznam doporučené literatury
Becker H, Gärtner C. Polymer microfabrication technologies for microfluidic systems. Anal Bioanal Chem. 2008;390(1):89-111. doi:10.1007/s00216-007-1692-2
Bhatia SN, Ingber DE. Microfluidic organs-on-chips. Nat Biotechnol. 2014;32(8):760-772. doi:10.1038/nbt.2989
Descamps L, Le Roy D, Deman AL. Microfluidic-Based Technologies for CTC Isolation: A Review of 10 Years of Intense Efforts towards Liquid Biopsy. Int J Mol Sci. 2022;23(4):1981. doi:10.3390/ijms23041981
Hwang J, Cho YH, Park MS, Kim BH. Microchannel Fabrication on Glass Materials for Microfluidic Devices. Int J Precis Eng Manuf. 2019;20(3):479-495. doi:10.1007/s12541-019-00103-2
Ikada Y. Surface modification of polymers for medical applications. Biomaterials. 1994;15(10):725-736. doi:10.1016/0142-9612(94)90025-6
Lee SJJ, Sundararajan N. Microfabrication for Microfluidics. Artech House; 2010.
Lei KF. Materials and Fabrication Techniques for Nano- and Microfluidic Devices. In: Labeed FH, Fatoyinbo HO, eds. Microfluidics in Detection Science. The Royal Society of Chemistry; 2014:1-28. doi:10.1039/9781849737609-00001
Marletta G. Ion-Beam Modification of Polymer Surfaces for Biological Applications. In: Bernas H, ed. Materials Science with Ion Beams. Vol 116. Topics in Applied Physics. Springer Berlin Heidelberg; 2009:345-369. doi:10.1007/978-3-540-88789-8_12
Niculescu AG, Chircov C, Bîrcă AC, Grumezescu AM. Fabrication and Applications of Microfluidic Devices: A Review. Int J Mol Sci. 2021;22(4):2011. doi:10.3390/ijms22042011
Qin D, Xia Y, Rogers JA, Jackman RJ, Zhao XM, Whitesides GM. Microfabrication, Microstructures and Microsystems. In: Manz A, Becker H, eds. Microsystem Technology in Chemistry and Life Science. Vol 194. Topics in Current Chemistry. Springer Berlin Heidelberg; 1998:1-20. doi:10.1007/3-540-69544-3_1
Ren K, Zhou J, Wu H. Materials for Microfluidic Chip Fabrication. Acc Chem Res. 2013;46(11):2396-2406. doi:10.1021/ar300314s
Rivet C, Lee H, Hirsch A, Hamilton S, Lu H. Microfluidics for medical diagnostics and biosensors. Chem Eng Sci. 2011;66(7):1490-1507. doi:10.1016/j.ces.2010.08.015
Sackmann EK, Fulton AL, Beebe DJ. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 2014;507(7491):181-189. doi:10.1038/nature13118
Sengupta P, Khanra K, Chowdhury AR, Datta P. Lab-on-a-chip sensing devices for biomedical applications. In: Bioelectronics and Medical Devices. Elsevier; 2019:47-95. doi:10.1016/B978-0-08-102420-1.00004-2
Trimukhe AM, Pandiyaraj KN, Tripathi A, Melo JS, Deshmukh RR. Plasma Surface Modification of Biomaterials for Biomedical Applications. In: Tripathi A, Melo JS, eds. Advances in Biomaterials for Biomedical Applications. Vol 66. Advanced Structured Materials. Springer Singapore; 2017:95-166. doi:10.1007/978-981-10-3328-5_3
Whitesides GM. The origins and the future of microfluidics. Nature. 2006;442(7101):368-373. doi:10.1038/nature05058
Wong JY, Bronzino JD, Peterson DR, eds. Biomaterials: Principles and Practices. Taylor & Francis; 2013.
Yan J, Li Z, Guo J, Liu S, Guo J. Organ-on-a-chip: A new tool for in vitro research. Biosens Bioelectron. 2022;216:114626. doi:10.1016/j.bios.2022.114626