Design, fabrication and test of new components for a drug screening microfluidic platform

The field of microfluidic devices is getting more and more success due to its versatility and the possibility of reducing experimental costs. In fact, due to the micrometric dimensions of the channels, they allow to reduce the amount of volume used and they can be produced with widely used techniques: photo-lithography and soft lithography. At the same time, they can be useful for a huge number of applications, like, for example, drug screening applications. The work done in this thesis is inserted in this field. In particular the goal is to realize new components for a microfluidic platform for drug screening: a circuit line for entrapping cells and a structure that can be used to isolate cells and uncouple the stimulation line from the one used to load cells. The need is to entrap cells, but at the same time to isolate them, such that once stimolated, it will be possible to detect the response of every cell to the drug. In order to entrap cells, the strategy of the single cell entrapment based on the resistance variation has been exploited. Considering the possibilities available in literature a new layout for the cell trapping line, that takes also in consideration the future integration with a drug stimulation line, has been designed. Regarding instead the need of uncoupling the drug line from the stimulation one, it has been decided to realize a particular type of microfluidic valves. Among all the possibile strategies available, it has been decided to use the Doormat valve. Considering the functioning principle and the fabrication issues, it has been defined a realization protocol that will overcome some limitations of this type of valve.

L’ambito dei dispositivi microfluidici sta ottenendo sempre più successo data la sua versatilità e la possibilità di ridurre i costi sperimentali. Infatti, date le dimensioni micrometriche dei canali, permettono di ridurre la quantità di volume utilizzati e allo stesso tempo possono essere realizzati con tecniche sufficientemente collaudate: foto-litografia e soft-litografia. Inoltre, possono essere impiegati in un numero sufficientemente grande di applicazioni, tra cui, per esempio, screening farmacologici. Il lavoro svolto in questa tesi si inserisce in questo ambito. In particolare l’obbiettivo è quello di realizzare nuovi componenti per una piattaforma microfluidica per lo screening farmacologico: un circuito per intrappolare le cellule e una struttura che può essere utilizzata per isolare le cellule e per disaccoppiare la linea di stimolazione da quella usata per caricare le cellule. L’obbiettivo è quello di intrappolare singolarmente le cellule, ma allo stesso tempo di isolarle, cosicché una volta intrappolate, sarà possibile valutare la risposta di ogni cellula al farmaco. Al fine dell’intrappolamento, è stato utilizzato il meccanismo che si basa sulla variazione di resistenza fluidodinamica. Considerate le alternative presenti in letteratura, si è deciso di realizzare un nuovo layout per l’intrappolamento cellulare, che tenesse anche in considerazione la futura integrazione con una rete per la stimolazione. Per quanto riguarda il disaccoppiamento delle due reti, si è deciso di realizzare un particolare tipo di valvola microfluidica. Considerando tutte le possibili alternative, si sono scelte le valvole di tipo Doormat. Una volta considerato il meccanismo di funzionamento e le problematiche di fabbricazione, è stato definito un nuovo protocollo di produzione che superasse alcune problematiche di questo tipo di valvole.