Flexible Microdevices for Biosensing: Integrating Optics and Capillarity for Advanced Biomedical Solutions

This thesis presents a research path focused on the development and optimization of microdevices using flexible materials for biochemical detection, with a particular emphasis on creating portable, cost-effective, and versatile solutions. The primary aim was to transform initially rigid and complex devices into flexible, compact, and autonomous platforms suitable for continuous monitoring and field diagnostic applications. Through a multidisciplinary approach, the research has successfully addressed significant technical challenges, enhancing fluid transport and management in microchannels while pursuing miniaturization and operational simplicity without compromising detection efficiency. Each device was developed through three interlinked phases: design, fabrication, and characterization. These phases interact in a continuous cycle of improvement, enabling progressive optimization of each performance of the device. The thesis begins with the development of a microsystem that I designed and fabricated to optimize the functionalization of a rigid optical sensor with gold nanoparticles for biochemical detection. A detailed design and simulation of the microchannel geometry played a fundamental role, allowing for uniform flow distribution, reduction of stagnant zones, and a substantial increase in sensor sensitivity. Experimental measurements, conducted in collaboration with the University ‘Magna Graecia’ of Catanzaro, confirmed the effectiveness of the functionalization, demonstrating high uniformity in coverage and quality of the plasmonic substrate, with the microfluidic system able to maintain a stable and reproducible flow. These promising results motivated further development toward a fully flexible microdevice, resulting in the creation of a plasmonic sensor on soft materials like Polydimethylsiloxane (PDMS). This material was strategically chosen for its biocompatibility and stability, making it ideal for flexible biomedical devices. The thesis provides a detailed description of the device design, microfabrication techniques, and characterization methodologies used. Experimental tests conducted with spectroscopy and fluorescence microscopy confirmed the effectiveness of the flexible structure, showcasing high performance, signal amplification, and accurate biomarker detection, even in dynamic conditions. The research aims to create autonomous, portable, and compact devices. To enhance portability and reduce complexity, the project focused on eliminating external pumps by developing an autonomous fluid transport system based on capillarity. This system utilizes the surface properties of microchannel walls to drive the spontaneous movement of fluids, proving to be a promising solution. During my research period at the Vrije Universiteit Brussel (VUB), I deepened my understanding of capillary phenomena, focusing on the wettability of surfaces relevant in microfluidic systems. The research group I joined specialized in cryogenic measurements, and my contribution involved analyzing and developing numerical models to predict the capillary behavior of sample droplets on cryo-EM grids, essential for cryogenic applications. The study of capillary spreading and surface wettability proved critical in this context, as uniform sample distribution on grids allows for optimal sample thickness, enhancing the quality of cryogenic images. This work led me to design new grid prototypes that facilitate effective droplet spreading, thereby improving the performance of cryo-EM measurements. Applying these insights led to the development of microfluidic devices with integrated capillary pumping systems, exploring fluid flow in microchannels made from materials with variable wettability. This work required creating a general analytical model to predict capillary flow dynamics under non-uniform conditions, as existing literature lacked a clear and comprehensive treatment of these phenomena with varying channel wettability. The model focused particularly on the transient regime, crucial for determining subsequent flow behavior. Experimental validation was carried out with devices fabricated through soft lithography and xurography, demonstrating the model’s accuracy and versatility and establishing a basis for precise fluid transport control in microfluidic systems. The next phase of the project will focus on the integration of holographic diffractive elements (HOEs) to optimize optical path management, enhancing sensor efficiency and compactness. A key objective will be the integration of a PDMS waveguide, designed to utilize total internal reflection (TIR) to confine light and direct it precisely towards the optical sensors. A collaboration with TU Dublin is already underway, and initial tests have shown promising results. The combination of HOEs with PDMS will enable light to be deflected at angles beyond the critical angle, keeping it contained within the waveguide and ensuring optimal signal management.

Questa tesi presenta un percorso di ricerca incentrato sullo sviluppo e l’ottimizzazione di microdispositivi realizzati con materiali flessibili per la rilevazione biochimica, con particolare attenzione alla creazione di soluzioni portatili, economiche e versatili. L’obiettivo principale è stato quello di trasformare dispositivi inizialmente rigidi e complessi in piattaforme flessibili, compatte e autonome, adatte al monitoraggio continuo e a diagnosi in situ. Attraverso un approccio multidisciplinare, la ricerca ha affrontato con successo sfide tecniche significative, migliorando il trasporto e la gestione dei fluidi all’interno di microcanali, puntando alla miniaturizzazione e alla semplicità operativa, senza compromettere l’efficienza di rilevazione. Ogni dispositivo è stato sviluppato attraverso tre fasi interconnesse: progettazione, fabbricazione e caratterizzazione. Queste fasi interagiscono in un ciclo continuo di miglioramento, consentendo l’ottimizzazione progressiva di ciascuna prestazione del dispositivo. La tesi si apre con lo sviluppo di un microsistema da me progettato e realizzato per ottimizzare la funzionalizzazione di un sensore ottico rigido con nanoparticelle d’oro per la rilevazione biochimica. Una progettazione dettagliata e la simulazione della geometria del microcanale hanno svolto un ruolo fondamentale, consentendo una distribuzione uniforme del flusso, la riduzione delle zone stagnanti e un sensibile aumento della sensibilità del sensore. Le misure sperimentali, condotte in collaborazione con l’Università “Magna Græcia” di Catanzaro, hanno confermato l’efficacia della funzionalizzazione, dimostrando un’elevata uniformità di copertura e qualità del substrato plasmonico, con il sistema microfluidico in grado di mantenere un flusso stabile e riproducibile. Questi risultati promettenti hanno motivato l’evoluzione verso un microdispositivo completamente flessibile, portando alla realizzazione di un sensore plasmonico su materiali soffici come il polidimetilsilossano (PDMS). Questo materiale è stato scelto strategicamente per la sua biocompatibilità e stabilità, rendendolo ideale per dispositivi biomedici flessibili. La tesi fornisce una descrizione dettagliata della progettazione del dispositivo, delle tecniche di microfabbricazione e delle metodologie di caratterizzazione utilizzate. I test sperimentali condotti tramite spettroscopia e microscopia a fluorescenza hanno confermato l’efficacia della struttura flessibile, mostrando elevate prestazioni, amplificazione del segnale e rilevazione accurata di biomarcatori, anche in condizioni dinamiche. La ricerca mira a creare dispositivi autonomi, portatili e compatti. Per aumentare la portabilità e ridurre la complessità, il progetto si è concentrato sull’eliminazione di pompe esterne, sviluppando un sistema autonomo di trasporto dei fluidi basato sulla capillarità. Questo sistema sfrutta le proprietà superficiali delle pareti dei microcanali per guidare il movimento spontaneo dei fluidi, rivelandosi una soluzione promettente. Durante il mio periodo di ricerca alla Vrije Universiteit Brussel (VUB), ho approfondito lo studio dei fenomeni capillari, con un focus sulla bagnabilità delle superfici nei sistemi microfluidici. Il gruppo di ricerca con cui ho collaborato era specializzato in misure criogeniche, e il mio contributo ha riguardato l’analisi e lo sviluppo di modelli numerici per prevedere il comportamento capillare delle goccioline di campione su griglie cryo-EM, essenziali per le applicazioni criogeniche. Lo studio della diffusione capillare e della bagnabilità delle superfici si è rivelato cruciale in questo contesto, poiché una distribuzione uniforme del campione sulle griglie consente di ottenere uno spessore ottimale e immagini criogeniche di alta qualità. Questo lavoro mi ha portato a progettare nuovi prototipi di griglie che favoriscono la diffusione efficace delle goccioline, migliorando così le prestazioni delle misure cryo-EM. L’applicazione di questi risultati ha condotto allo sviluppo di dispositivi microfluidici con sistemi di pompaggio capillare integrati, esplorando il flusso dei fluidi in microcanali realizzati con materiali a bagnabilità variabile. Questo lavoro ha richiesto la creazione di un modello analitico generale per prevedere la dinamica del flusso capillare in condizioni non uniformi, colmando una lacuna nella letteratura, che non trattava in modo chiaro e completo tali fenomeni in presenza di variazioni nella bagnabilità dei canali. Il modello si è concentrato in particolare sul regime transitorio, cruciale per determinare l’evoluzione del flusso. La validazione sperimentale è stata condotta su dispositivi fabbricati mediante soft lithography e xurografia, dimostrando l’accuratezza e la versatilità del modello e gettando le basi per un controllo preciso del trasporto di fluidi nei sistemi microfluidici. La fase successiva del progetto si concentrerà sull’integrazione di elementi olografici diffrattivi (HOE) per ottimizzare la gestione del percorso ottico, migliorando l’efficienza e la compattezza del sensore. Un obiettivo chiave sarà l’integrazione di una guida d’onda in PDMS, progettata per sfruttare la riflessione interna totale (TIR) al fine di confinare la luce e indirizzarla con precisione verso i sensori ottici. È già in corso una collaborazione con la TU Dublin, e i primi test hanno mostrato risultati promettenti. La combinazione tra HOE e PDMS consentirà di deviare la luce a angoli superiori all’angolo critico, mantenendola confinata all’interno della guida e garantendo una gestione ottimale del segnale