liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Electrokinetic devices from polymeric materials
Linköping University, Department of Physics, Chemistry and Biology, Surface Physics and Chemistry. Linköping University, Faculty of Science & Engineering.
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

There are multiple applications for polymers: our bodies are built of them, plastic bags and boxes used for storage are composed of them, as are the shells for electronics, TVs, computers, clothes etc. Many polymers are cheap, and easy to manufacture and process which make them suitable for disposable systems. The choice of polymer to construct an object will therefore highly influence the properties of the object itself. The focus of this thesis is the application of commonly used polymers to solve some challenges regarding integration of electrodes in electrokinetic devices and 3D printing.

The first part of this thesis regards electrokinetic systems and the electrodes’ impact on the system. Electrokinetic systems require Faradaic (electrochemical) reactions at the electrodes to maintain an electric field in an electrolyte. The electrochemical reactions at the electrodes allow electron-to-ion transduction at the electrode-electrolyte interface, necessary to drive a current at the applied potential through the system, which thereby either cause flow (electroosmosis) or separation (electrophoresis). These electrochemical reactions at the electrodes, such as water electrolysis, are usually problematic in analytical systems and systems applied in biology. One solution to reduce the impact of water electrolysis is by replacing metal electrodes with electrochemically active polymers, e.g. poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). Paper 1 demonstrates that PEDOT electrodes can replace platinum electrodes in a gel electrophoretic setup. Paper 2 reports an all-plastic, planar, flexible electroosmotic pump which continuously transports water from one side to the other using potentials as low as 0.3 V. This electroosmotic pump was further developed in paper 3, where it was made into a compact and modular setup, compatible with commercial microfluidic devices. We demonstrated that the pump could maintain an alternating flow for at least 96 h, with a sufficient flow of cell medium to keep cells alive for the same period of time.

The second part of the thesis describes the use of 3D printers for manufacturing prototypes and the material requirements for 3D printing. Protruding and over-hanging structures are more challenging to print using a 3D printer and usually require supporting material during the printing process. In paper 4, we showed that polyethylene glycol (PEG), in combination with a carbonate-based plasticizer, functions well as a 3D printable sacrificial template material. PEG2000 with between 20 and 30 wt% dimethyl carbonate or propylene carbonate have good shear-thinning rheology, mechanical and chemical stability, and water solubility, which are advantageous for a supporting material used in 3D printing.

The advances presented in this thesis have solved some of the challenges regarding electrokinetic systems and prototype manufacturing. Hopefully this will contribute to the development of robust, disposable, low-cost, and autonomous electrokinetic devices.

Abstract [sv]

Polymera material finns överallt omkring oss; våra kroppar är uppbyggda av dem,plastpåsarna och burkarna vi förvarar vår mat av består av dem, våra kläder och andra tingsom finns i vår vardag är uppbyggda av olika typer av polymerer. En polymer är uppbyggd aven repetitiv sekvens av identiska grupper, de kan liknas vid en mönsterrapport vilken är denminsta del som man behöver repetera för att få mönstret. Beroende på hur rapporten ser ut såförändras utseendet av mönstret. Hos en polymer påverkar sammansättningen av denrepetitiva gruppen (rapporten) egenskaperna av materialet och polymerer kan vara allt frånhårda och robusta, till flexibla och elektriskt ledande. Arbetet som presenteras i den häravhandlingen berör hur funktionen av olika system påverkas av att man använder sig avpolymerer istället för konventionella material.

Första delen av avhandlingen handlar om integrering av elektronik i system som innehållervätska. När vätskor, laddade partiklar, molekyler och joner rör på sig på grund av ett yttreelektriskt fält, så kallas detta för elektrokinetik. Detta kan användas för att pumpa vätska ikanaler som är mindre än 0.2 mm, genom så kallad elektroosmos, samtidigt kommermolekyler med olika laddning att börja separera, så kallad elektrofores. Elektroosmos användsinom t.ex. analytisk kemi för injektion och transport av vätskor. Elektrofores används inombl.a. rättsvetenskap och molekylärbiologi för att separera makromolekyler, så som DNA ochproteiner, med avseende på deras storlek och laddning. I dessa system använder man sig oftastav metallelektroder.

När en spänning läggs till ett par metallelektroder som är i kontakt med vatten kommer denhuvudsakliga reaktionen att vara spjälkning av vatten, så kallad vattenelektrolys. Spjälkningav vatten innebär att det bildas vät-och syrgas samt att pH börjar ändras. Gaserna som bildaskan bryta kopplingen mellan elektroderna och därmed stoppar strömmen, så som sker när mandrar ut sladden för t.ex. en elvisp. Förändringar i pH kan t.ex. påverka biologiska provernegativt, så som proteiners funktion och kan leda till celldöd, men kan också minska flödenaen elektroosmotisk pump kan generera. Det finns flera olika sätt hur man kan hanteravattenelektrolys i system med metallelektroder, så som användning av en pH-buffer. Arbetet iden här avhandlingen visar vad som händer om man ersätter metallelektroder med elektrisktledande plastelektroder. I detta fall har metallelektroderna ersatts av den elektriskt ledandepolymeren PEDOT vilket resulterar i att , där man istället för generera gas och pHviförändringar, så förflyttar man joner mellan elektroden och omgivande lösning. Ledandepolymerer är billiga och enkla att tillverka vilket gör dem lämpliga för engångssystem.

förändringar, så förflyttar man joner mellan elektroden och omgivande lösning. Ledandepolymerer är billiga och enkla att tillverka vilket gör dem lämpliga för engångssystem.I den här avhandlingen visas följande exempel där metallelektroder ersatts av ledandeplastelektroder: Gelelektrofores (separation av proteiner i en gel), (se papper 1), tyg som kanpumpa vatten (plan elektroosmotisk pump, se papper 2) och en kompakt pump som inte ärstörre än ett kaffemått, som enkelt kan kopplas till befintliga sprutkopplingar och som kananvändas för att kontrollera flödet över t.ex. celler (se papper 3).

Andra delen av avhandlingen handlar om 3D skrivare och hur materialval påverkarutskriften och designen. 3D skrivare är ett bra alternativ för att snabbt och billigt kunnaproducera prototyper och funktionella individanpassade objekt i varierande storlekar.3D skrivare kan beskrivas som en avancerad spritsmaskin där material läggs lager på lager föratt bygga upp det slutgiltiga objektet utifrån en datorgenererade 3D model. Detta förändrarhelt hur man designar objekt och vilka möjliga strukturer och material man kan använda sigav jämfört än då man till exempel använder sig av svarv eller fräs för tillverkning. Det finnsflera olika typer av 3D skrivare, t.ex. smältplastskrivare (den typ som man kan se i flertaletaffärer idag) och den variant som använts i den här avhandlingen, en sprutbaserad. Ensprutbaserad 3D skrivare kan hantera många olika typer av material så länge dessa kan fyllas ien spruta och tryckas ut genom en nål. Det färdiga resultat kan därmed bli mycket olikaberoende på vilka material som använts.

Överhängande och utstickande strukturer kan vara komplicerade att skriva ut med en3D skrivare. Utskrift av dessa strukturer kan underlättas genom att man skriver ut en temporärstruktur i ett annat material, ett offermaterial. Offermaterialet fungerar som en mall eller stödtill det slutgiltiga objektet och tas bort (offras) när övriga delar av objektet är klara. I den häravhandlingen beskrivs hur ett offermaterial baserat på polyetylen glykol (PEG, vanligtförekommande i t.ex. schampo och läkemedel) och en mjukgörare kan anpassas för attfungera tillsammans med en sprutbaserad 3D skrivare (se papper 4) för att skriva ut strukturerfrån 0,2 mm och uppåt.

Arbetet i den här avhandlingen visar användningen av den ledande polymeren PEDOT i ettelektroforessystem och en elektroosmotisk pump. Detta kan förhoppningsvis underlättautvecklingen av dessa system till att bli mindre, smidigare, snabbare och billigare. Den andradelen presenterar ett vattenlösligt, PEG-baserat material som kan användas som stöd till andramaterial i sprutbaserade 3D utskrifter för att underlätta tillverkningen av 3D utskrivna objekt.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2017. , p. 46
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1869
National Category
Other Chemical Engineering Analytical Chemistry Other Engineering and Technologies not elsewhere specified Other Chemistry Topics Materials Chemistry
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-139872DOI: 10.3384/diss.diva-139872ISBN: 978-91-7685-485-3 (print)OAI: oai:DiVA.org:liu-139872DiVA, id: diva2:1134306
Public defence
2017-09-15, Planck, Fysikhuset, Campus Valla, Linköping, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2017-08-18 Created: 2017-08-18 Last updated: 2017-08-21Bibliographically approved
List of papers
1. Conducting Polymer Electrodes for Gel Electrophoresis
Open this publication in new window or tab >>Conducting Polymer Electrodes for Gel Electrophoresis
2014 (English)In: PLoS ONE, ISSN 1932-6203, E-ISSN 1932-6203, Vol. 9, no 2, p. 0089416-Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

In nearly all cases, electrophoresis in gels is driven via the electrolysis of water at the electrodes, where the process consumes water and produces electrochemical by-products. We have previously demonstrated that p-conjugated polymers such as poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) can be placed between traditional metal electrodes and an electrolyte to mitigate electrolysis in liquid (capillary electroosmosis/electrophoresis) systems. In this report, we extend our previous result to gel electrophoresis, and show that electrodes containing PEDOT can be used with a commercial polyacrylamide gel electrophoresis system with minimal impact to the resulting gel image or the ionic transport measured during a separation.

Place, publisher, year, edition, pages
Public Library of Science, 2014
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-105901 (URN)10.1371/journal.pone.0089416 (DOI)000331711900141 ()
Available from: 2014-04-14 Created: 2014-04-12 Last updated: 2017-12-05Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1212 kB)108 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1212 kBChecksum SHA-512
29a890d7ed7b876c7cc3469d250b1cddd675b305ba4db43d0a60097b6fa75ffe72f4ae51ce31be4d3c987da832c75191e51ffcbfdce2fd30730e4d8a9b166023
Type fulltextMimetype application/pdf
omslag(5220 kB)10 downloads
File information
File name COVER01.pdfFile size 5220 kBChecksum SHA-512
f6a09689a3899a09949de206c15c80d76b308a37ecf396709ab9f7472f8548d97139facf0c6df36b3d0fedcde09f3a1721183a4c209688b8eb41a772eb048a9a
Type coverMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full text

Search in DiVA

By author/editor
Bengtsson, Katarina
By organisation
Surface Physics and ChemistryFaculty of Science & Engineering
Other Chemical EngineeringAnalytical ChemistryOther Engineering and Technologies not elsewhere specifiedOther Chemistry TopicsMaterials Chemistry

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 108 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
isbn
urn-nbn

Altmetric score

doi
isbn
urn-nbn
Total: 566 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf