The design of lab-on-a-chip devices for magnetophoretic separations

Abstract

RESUMEN: En las últimas décadas, el uso de micro- y nanomateriales magnéticos ha crecido exponencialmente debido a sus excelentes propiedades en comparación con sus equivalentes macroscópicos. Aunque las aplicaciones lab-on-a-chip más recientes han puesto de manifiesto su papel prometedor en el desarrollo de procesos bioquímicos rápidos y eficientes, la manipulación magnética de los mismos se ha explorado en menor medida, especialmente en la microescala. Por lo tanto, se requiere el desarrollo de herramientas innovadoras que permitan el diseño racional de las etapas de separación con las que se facilite la integración de estas tecnologías tan atractivas.

En la presente tesis doctoral se desarrollan nuevos enfoques teóricos para la descripción de varios dispositivos magnetoforéticos, en los que se integran distintos materiales. Se describen los fundamentos de las separaciones magnéticas para establecer los antecedentes teóricos básicos para comprender el funcionamiento de dichos sistemas. Los modelos se desarrollan teniendo en cuenta las fuerzas dominantes que intervienen en la separación. Posteriormente, los modelos se utilizan para analizar distintos dispositivos de flujo continuo empleados en diferentes aplicaciones.

Se considera que en esta tesis doctoral se proporcionan herramientas útiles, precisas y de bajo coste computacional para el diseño de un gran número de aplicaciones lab-on-a-chip. Además, se proponen directrices para el desarrollo de dispositivos magnetoforéticos eficientes, en los que se pueden integrar tanto partículas sólidas como ferrofluidos. Debido a las propiedades ventajosas de estos materiales, así como a las excepcionales características de la microfluídica, este estudio puede resultar clave en el desarrollo futuro e integración de estas innovadoras tecnologías.

ABSTRACT: The use of micro- and nanomaterials with magnetic properties has exponentially grown in the last few decades as a consequence of their superior properties in comparison to their bulk counterparts. Although novel lab-on-a-chip applications have shown the promising role of these materials in the development of fast and efficient biochemical processes, their safe and reliable manipulation with magnetic fields is less explored, especially at the microscale. Thus, the development of innovative tools is required in order to enable the rational design of novel separation steps which will facilitate the successful integration of these attractive technologies. In this doctoral dissertation novel theoretical approaches are developed for the detailed description of different magnetophoretic devices in which different fluid and solid magnetic materials are integrated. First, the principles of magnetic separations are reviewed in order to establish the basic theoretical background. Second, the models to describe magnetophoresis are developed. These take into account the dominant forces acting on the materials. The models are later applied for the analysis of continuous-flow magnetophoretic devices designed for different applications. Concluding, it is considered that the numerical approaches developed in this doctoral dissertation are accurate, computationally inexpensive and useful tools for the design of a high number of lab-on-a-chip applications. In addition, different guidelines have been proposed for the development of efficient magnetophoretic devices in which both solid particles and ferrofluids can be integrated into. Due to the advantageous properties of these materials along with the outstanding features of microfluidics, this dissertation could be key for facilitating the future development and establishment of these novel technologies.