Magnetic domain wall tweezers for lab-on-chip applications

This thesis work was carried out in the context of two projects: ESCHILO (Early Stage Cancer diagnosis via HIghly sensitive Lab-On-chip multi tar- get systems) and "Forces, mechanisms and pathways involved in the ATR- mediated control of nuclear plasticity in response to mechanical stress" of the Fondazione Centro Europeo di Nanomedicina. It deals with the development and optimization of the magnetic manipulation technique called magnetic domain wall tweezers (DWTs) for lab-on-a-chip applications concerning mechanobiology and sample preparation. DWT technology is based on the coupling of superparamagentic beads with expressly shaped nanostructures, in which magnetic domain walls acts as at- tracting poles and are nucleated and moved by means of an external field. The technology allows to achieve a submicrometric resolution without any direct contact with the sample and damage. For the aforementioned reasons DWTs have attracted an increasing interest in nanobiology and nanomedicine, where magnetic beads are widely used as molecular carriers and markers. Moreover, the possibility of simultaneous creation and manipulation of a large number of magnetic domain walls makes DWTs suitable for applications where high parallelism is needed, like for sample preparation processes. The experimental work exploited the flexibility of the technology and can be decided in to two main blocks: Fabrication, characterization and optimization of magnetic conduits in DWT devices. The trapping force exerted by means of DWTs on superparamagnetic beads were evaluated for different pattern geometries and dimensions. Moreover, the manipulation along nanometric and for the first time micrometric structures was tested and optimized to achieve a good control also in cellular medium. This section was oriented towards the optimization of a device for studying the reaction of living samples to localized stresses. Design and realization of an on-chip magnetic stirrer characterized by the presence of magnetic conduits on both the floor and the ceiling of a microfluidic channel for sample preparation. The device fabrication re- quires the patterning of magnetic structures on a polymeric substrate. A magnetic pattern transfer protocol was therefore developed and optimized to accomplish this goal. The work was realized under the supervision of Dr. Daniela Petti and Prof. Riccardo Bertacco, responsible of the NaBiS group, at the L-NESS center, Di- partimento di Fisica of the Politecnico di Milano, Polo Regionale di Como. The experimental work was carried out in collaboration with the Istituto Farmacologico di Oncologia Molecolare (IFOM) for the activity concerning mecahnobiological experiments and Euroclone S.p.A. for the creation of the stirring device. This thesis is organized in 5 chapters. In chapter 1, the state of the art regarding sample preparation and lab-on-a-chip devices is presented. Chapter 2 provides the theoretical basis by which the magnetic behaviour of magnetic structures and nanoparticles can be explained. In chapter 3, the experimental methods employed for fabrication, characterization and measurement of the devices employed in this thesis work are illustrated. In chapter 4, the experimental determination of magnetic forces is presented along with manipulation tests in cellular medium. In chapter 5, the design and realization of an on-chip magnetic stirrer and of the pattern transfer technique are described. Finally, the conclusions and perspectives are exposed.

Il lavoro di tesi è stato svolto nell’ambito di due progetti, ESCHILO (Early Stage Cancer diagnosis via HIghly sensitive Lab-On-chip multi target sys- tems) e "Forces, mechanisms and pathways involved in the ATR-mediated control of nuclear plasticity in response to mechanical stress" della Fon- dazione Centro Europeo di Nanomedicina. Esso ha riguardato lo sviluppo e l’ottimizzazione della tecnologia di manipolazione magnetica detta domain wall tweezers (DWTs) per la realizzazione di lab-on-a-chip devices nell’ambito della meccanobiologia e della preparazione di campioni biologici. La tecnologia DWT è caratterizzata dall’accoppiamento di particelle super- paramagnetiche con delle nanostrutture di permalloy. La particolare forma di queste ultime permette la creazione di pareti di dominio magnetiche che agiscono come poli attrattori e che vengono e manipolate per mezzo di un campo esterno. La tecnica dà la possibilità di ottenere una movimentazione con una risoluzione al di sotto del micrometro e, soprattutto, non è invasiva nè dannosa per i campioni biologici. Queste caratteristiche hanno fatto sì che le DWTs abbiano attirato un sempre maggiore interesse nel campo della nanobiologia e della nanomedicina, nelle quali i bead magnetici sono largamente utilizzati come portatori di molecole e farmaci e come marker. In aggiunta a questo, la possibilità di enucleare e muovere simultaneamente un grande numero di pareti di domino rende la tecnica appropriata per applicazioni che richiedono un grande livello di parallelismo, come nella preparazione di campioni biologici. Il lavoro sperimentale ha sfruttato la flessibilità garantita dalle DWTs e può essere diviso in due blocchi principali: Fabbricazione, caratterizzazione e ottimizzazione di condotti magnetici utilizzati nei dispositivi DWT. Le forze esercitate su particelle super- paramagnetiche è stata misurata per diverse geometrie e, per la prima volta, anche con l’utilizzo di strutture micrometriche, realizzate tramite litografia ottica. Inoltre, la manipolazione lungo le strutture è stata testata e ottimizzata per raggiungere un buon controllo all’interno del medium cellulare. Questa sezione è orientata verso l’ottimizzazione di un dispositivo per lo studio delle reazioni indotte in campioni biologici da stress localizzati. La progettazione e la realizzazione di un sistema magnetico on-chip di agitazione caratterizzato dalla presenza di strutture magnetiche sia sulla superficie inferiore che su quella superiore di un canale microfluidico. La fabbricazione del dispositivo richiede la possibilità di deporre strutture magnetiche su un substrato polimerico e, per questo, è stato sviluppato e ottimizzato un protocollo per il trasferimento di strutture magnetiche su di un polimero. Il lavoro è stato svolto sotto la supervisione della dottoressa Daniela Petti e del professore Riccardo Bertacco, responsabile del gruppo NaBiS, presso il centro L-NESS, Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, Polo Regionale di Como. Inoltre il lavoro sperimentale è stato svolto in collaborazione con l’Istituto Farmacologico di Oncologia Molecolare (IFOM), per la parte riguardante la meccanobiologia, e Euroclone S.p.A. per lo sviluppo del dispositivo di agitazione. La tesi è organizzata in 5 capitoli. Il capitolo 1 tratta lo stato dell’arte riguardante gli ambiti della preparazione di campioni biologici e dispositivi lab-on-a-chip. Il capitolo 2 fornisce le basi teoriche per mezzo delle quali il comportamento magnetico delle strutture e delle nanoparticelle magnetiche può essere spiegato. Nel capitolo 3 sono illustrati i metodi sperimentali utilizzati per la fabbricazione, caratterizzazione e misura dei dispositivi. Nel capitolo 4 vengono presentati la determinazione delle forze magnetiche applicate tramite la tecnologia DWT e i test di manipolazione nel medium cellulare, mentre il capitolo 5 descrive la progettazione e la realizzazione di una piattaforma on-chip per l’agitazione magnetica e la tecnica per il trasferimento delle strutture magnetiche su matrice polimerica. Infine vengono illustrate le conclusioni e i futuri sviluppi del lavoro.