The ability to control the chemical-physical properties of the cell culture surface can be a versatile means to investigate the interactions between biological cells and the extracellular matrix. Some studies have shown that there is a strictly correlation between the bio-physical behavior of a cell and their mechanical properties (such as elasticity). In this scenario, a large research project is carrying out aiming at inducing light sensitivity in cells for photo-control of their physiology. The thesis goal is exploiting the lab-on-a-chip technology to obtain a low-cost, biocompatible, fast analysis and high-efficiency device for the study of cell elasticity properties, in flowing condition, avoiding any more expensive vision systems typically used under a microscope. The innovative fabrication technique of femtosecond laser irradiation followed by chemical etching (FLICE) has allowed the creation of a optofluidic lab-on-a-chip fully buried in inert substrate (fused silica), useful to fulfill all requirements. The detection system is based on the realization of photonic circuit integrated in the microfluidic chip that are able to detect the “darkening” of the laser beam when a cell passes in front of the input optical fiber. Three preliminary devices geometry have been developed: one for cell counting, one for alignment and one with a double “photocell” for monitoring cell transit time through a bottleneck. Since this analysis technique is known, the novelty lies in the method of calculating the transit time, here obtained by completely optical way. According to the analytical model that connect the transit time in a bottleneck to the cell deformability (shear modulus, bending modulus), the results obtained show the relationship between the size and elasticity of the cells membrane as a function of the hydrodynamic parameters. At their fixed value, smaller and untreated cells showed a transit time identical to larger cells but properly treated with known drugs that increase their elasticity. High throughput of the order of 700 cells/min, possibility to acquire times in the order of μs and elimination of the vision system has been the main features.

La capacità di controllare le proprietà chimico-fisiche della superficie di coltura cellulare può essere un mezzo versatile per studiare le interazioni tra le cellule biologiche e la matrice extracellulare. Alcuni studi hanno dimostrato che esiste una correlazione tra il comportamento biofisico di una cellula e le sue proprietà meccaniche (come l'elasticità). In questo scenario, è in corso un ampio progetto di ricerca che mira a indurre la sensibilità alla luce nelle cellule per il controllo della loro fisiologia. L'obiettivo della tesi è quello di sfruttare la tecnologia lab-on-a-chip per ottenere un dispositivo di analisi veloce, biocompatibile, a basso costo e ad alta efficienza per lo studio delle proprietà di elasticità cellulare, in condizioni di fluidità, evitando i più costosi sistemi di vision. L'innovativa tecnica di fabbricazione con laser a femtosecondo seguita da incisione chimica (FLICE) ha permesso la creazione di un laboratorio optofluidico su chip completamente interrato in silice fusa, utile a soddisfare tutte le esigenze. Il sistema di rilevazione si basa sulla realizzazione di un circuito fotonico integrato nel chip in grado di rilevare l'oscuramento del raggio laser quando una cellula passa davanti alla fibra ottica di ingresso. Sono stati sviluppati tre dispositivi: uno per il conteggio delle cellule, uno per l'allineamento e uno con doppia "fotocellula" per il monitoraggio del tempo di transito delle cellule attraverso una strettoia. Essendo nota questa tecnica di analisi, la novità sta nel metodo di calcolo del tempo di transito, qui ottenuto in modo completamente ottico. Secondo il modello analitico che collega il tempo di transito alla deformabilità cellulare (modulo di taglio, modulo di flessione), i risultati ottenuti mostrano la relazione tra le dimensioni e l'elasticità della membrana cellulare in funzione dei parametri idrodinamici. Le cellule più piccole e non trattate hanno mostrato un tempo di transito identico a quello delle cellule più grandi, ma trattate con farmaci noti che ne aumentano l'elasticità. Elevato throughput dell'ordine di 700 cellule/min, possibilità di acquisire tempi nell'ordine di μs ed eliminazione del sistema di vision sono le caratteristiche principali di questi dispositivi.

Control of the mechanical properties of cells : realization of a microfluidic device for monitoring cellular deformability.

MIRAGLIOTTA, MARTINA
2018/2019

Abstract

The ability to control the chemical-physical properties of the cell culture surface can be a versatile means to investigate the interactions between biological cells and the extracellular matrix. Some studies have shown that there is a strictly correlation between the bio-physical behavior of a cell and their mechanical properties (such as elasticity). In this scenario, a large research project is carrying out aiming at inducing light sensitivity in cells for photo-control of their physiology. The thesis goal is exploiting the lab-on-a-chip technology to obtain a low-cost, biocompatible, fast analysis and high-efficiency device for the study of cell elasticity properties, in flowing condition, avoiding any more expensive vision systems typically used under a microscope. The innovative fabrication technique of femtosecond laser irradiation followed by chemical etching (FLICE) has allowed the creation of a optofluidic lab-on-a-chip fully buried in inert substrate (fused silica), useful to fulfill all requirements. The detection system is based on the realization of photonic circuit integrated in the microfluidic chip that are able to detect the “darkening” of the laser beam when a cell passes in front of the input optical fiber. Three preliminary devices geometry have been developed: one for cell counting, one for alignment and one with a double “photocell” for monitoring cell transit time through a bottleneck. Since this analysis technique is known, the novelty lies in the method of calculating the transit time, here obtained by completely optical way. According to the analytical model that connect the transit time in a bottleneck to the cell deformability (shear modulus, bending modulus), the results obtained show the relationship between the size and elasticity of the cells membrane as a function of the hydrodynamic parameters. At their fixed value, smaller and untreated cells showed a transit time identical to larger cells but properly treated with known drugs that increase their elasticity. High throughput of the order of 700 cells/min, possibility to acquire times in the order of μs and elimination of the vision system has been the main features.
CRIANTE, LUIGINO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
25-lug-2019
2018/2019
La capacità di controllare le proprietà chimico-fisiche della superficie di coltura cellulare può essere un mezzo versatile per studiare le interazioni tra le cellule biologiche e la matrice extracellulare. Alcuni studi hanno dimostrato che esiste una correlazione tra il comportamento biofisico di una cellula e le sue proprietà meccaniche (come l'elasticità). In questo scenario, è in corso un ampio progetto di ricerca che mira a indurre la sensibilità alla luce nelle cellule per il controllo della loro fisiologia. L'obiettivo della tesi è quello di sfruttare la tecnologia lab-on-a-chip per ottenere un dispositivo di analisi veloce, biocompatibile, a basso costo e ad alta efficienza per lo studio delle proprietà di elasticità cellulare, in condizioni di fluidità, evitando i più costosi sistemi di vision. L'innovativa tecnica di fabbricazione con laser a femtosecondo seguita da incisione chimica (FLICE) ha permesso la creazione di un laboratorio optofluidico su chip completamente interrato in silice fusa, utile a soddisfare tutte le esigenze. Il sistema di rilevazione si basa sulla realizzazione di un circuito fotonico integrato nel chip in grado di rilevare l'oscuramento del raggio laser quando una cellula passa davanti alla fibra ottica di ingresso. Sono stati sviluppati tre dispositivi: uno per il conteggio delle cellule, uno per l'allineamento e uno con doppia "fotocellula" per il monitoraggio del tempo di transito delle cellule attraverso una strettoia. Essendo nota questa tecnica di analisi, la novità sta nel metodo di calcolo del tempo di transito, qui ottenuto in modo completamente ottico. Secondo il modello analitico che collega il tempo di transito alla deformabilità cellulare (modulo di taglio, modulo di flessione), i risultati ottenuti mostrano la relazione tra le dimensioni e l'elasticità della membrana cellulare in funzione dei parametri idrodinamici. Le cellule più piccole e non trattate hanno mostrato un tempo di transito identico a quello delle cellule più grandi, ma trattate con farmaci noti che ne aumentano l'elasticità. Elevato throughput dell'ordine di 700 cellule/min, possibilità di acquisire tempi nell'ordine di μs ed eliminazione del sistema di vision sono le caratteristiche principali di questi dispositivi.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/148895