Sviluppo e ottimizzazione di componenti microfluidiche per un sistema integrato di estrazione ed analisi di DNA su lab-on-a-chip

The Real-time PCR (Polymerase Chain Reaction) is a technique used in molecular biology laboratories that allows the identification of target DNA sequences and their quantification. This type of analysis finds applications in various fields such as DNA sequencing, the diagnosis of infectious diseases, forensic science and the inspection of food products. The Q3 is a device developed by STMicroeletronics, able to perform a real-time PCR analysis starting from the DNA extracted from any biological sample. Later a project was started to add nucleic acid extraction to the real-time PCR analysis. This project, which takes the name of EASY, is the area in which my thesis is focused. The peculiarity of this system is to perform the extraction protocol in a complete automated way. The device, still in the prototyping phase, has the disadvantage of needing an operator to perform the procedure. The prototype is composed of two elements, the first is the actual device, while the second is a single-use cartridge that includes the components necessary for carrying out the purification procedure. This thesis activity was focused on the cartridge. In particular, I was involved in the process of its fabrication and the valves it contains, which were one of the components that needed human intervention during the extraction. Regarding the construction of the cartridge, I have optimized the thermal bonding protocol of the layers that compose it. In particular, I have added a new phase in the process that guarantees an adequate seal and prevents reagents from leaking into the environment. The valves instead presented the disadvantage of requiring human intervention to be opened or closed. During my work, after a series of experiments aimed at evaluating possible alternatives, I identified among the prototypes that I realized the design that guaranteed the automation of the extraction process. With the results obtained in my work it was possible to carry out a test with a prototype cartridge that integrates the extraction of nucleic acids with PCR analysis.

La real-time PCR è una tecnica utilizzata nei laboratori di biologia molecolare che permette l'identificazione di sequenze di DNA target e la loro quantificazione. Questo tipo di analisi trova applicazioni in vari ambiti come ad esempio il sequenziamento del DNA, la diagnosi di malattie infettive, la genetica forense e l'ispezione dei prodotti alimentari. Il Q3 è uno strumento sviluppato da STMicroeletronics, in grado di eseguire un'analisi real-time PCR partendo dal DNA estratto da un qualsiasi campione biologico. In seguito è stato avviato un progetto che vuole aggiungere l'estrazione di acidi nucleici all'analisi di real-time PCR. Questo progetto, che prende il nome di EASY (Extraction and Analysis System) è l'ambito nel quale si inserisce il mio lavoro di tesi. La peculiarità di tale sistema vuole essere una completa automazione del protocollo di estrazione e analisi. Lo strumento, ancora in fase prototipale, ha lo svantaggio di aver bisogno dell'intervento dell'operatore per eseguire la procedura. Il prototipo è composto da due elementi, il primo è lo strumento vero e proprio, mentre il secondo è una cartuccia monouso che include le componenti necessarie alla realizzazione della sola procedura di purificazione. L'attività di tesi è stata focalizzata sulla cartuccia. In particolar modo mi sono occupato del processo di realizzazione della stessa e delle valvole che essa contiene, che erano uno dei componenti che necessitavano dell'intervento umano durante l'estrazione. Per quanto riguarda la realizzazione della cartuccia, ho ottimizzato il protocollo di bonding termico degli strati che la compongono. In particolare ho aggiunto una nuova fase nel processo che garantisce un'adeguata tenuta e che impedisce la fuoriuscita di reagenti nel mondo esterno. Le valvole invece presentavano lo svantaggio di richiedere un intervento umano per essere aperte o chiuse. Durante il mio lavoro, dopo una serie di esperimenti atti a valutare le possibili alternative, ho individuato tra i prototipi che ho realizzato il design che garantiva l'automazione del processo di estrazione. Con i risultati ottenuti nel mio lavoro è stato possibile realizzare un test con un prototipo di cartuccia che integra l'estrazione di acidi nucleici con l'analisi PCR.