Dispositivi optofluidici integrati fabbricati mediante laser a femtosecondi per l'analisi e la selezione di singole cellule

During the last few years we have assisted to innovative improvements in the fields of chemistry and biology, thanks to the introduction and the development of Lab On Chip (LOC); LOCs are devices that use networks of microchannels to transport, mix, separate and analyze very small amounts of sample. An aspect that is gaining increasing interest is the capability to integrate in LOC systems the optical components needed for detection and anlysis of biological samples; this point is fundamental in order to achieve a compact and portable device, with an extremely high accuracy in alignment between fluidic and optical parts. Moreover, these optofluidic devices are powerful tools to analyze and manipulate the sample at the single cell level, offering a wide range of applications from preclinical diagnosis to careful study of cells of interest. During this project we have implemented an optofluidic device capable of separating a heterogeneous population of cells with an analysis at the single particle level. We have fabricated this device in a glass substrate (fused silica) using femtosecond laser micromachining (FLM). With this technique irradiating a transparent material with femtosecond laser pulses we can obtain different kinds of permanent modification in the substrate. Thanks to the potential of this technique we have fabricated both the fluidic components (microchannels) and the optical components for cells analysis and manipulation (the optical waveguides). Afterwards we have tested the device demonstrating its functionality, with polystyrene microspheres and also with human cells. With optical waveguides it has been possible to excite the fluorescence of the particle flowing in the channel and also to sort cells using radiation pressure. Finally the result of this work is the realization of a device extremely compact and portable, completely based on optical forces; this device, activated in fluorescence, is capable of separating a heterogeneous population of cell with high efficiency and reliability.

Negli ultimi anni si è assistito a radicali innovazioni nei settori della chimica e della biologia in seguito all'introduzione dei Lab On a Chips (LOCs), ossia quei dispositivi costituiti da reti di microcanali delle dimensioni di alcune decine/centinaia di micrometri. Un aspetto che sta catalizzando un crescente interesse è la capacità di integrare nei LOCs anche le componenti ottiche necessarie per analizzare il campione biologico; consentendo di ottenere dispositivi più compatti, portatili e con un elevato grado di allineamento fra l'ottica e la fluidica. Inoltre questi dispositivi optofluidici costituiscono potenti mezzi per analisi a livello di singola cellula e manipolazione di particelle, offrendo un vasto panorama di applicazioni che spaziano dalla diagnostica tumorale a studi su campioni di cellule d'interesse. Durante il lavoro di tesi è stato sviluppato e implementato un dispositivo optofluidico integrato in vetro (fused silica) per l'analisi di singole cellule. In un primo momento ci siamo concentrati sulla fabbricazione del chip mediante l'utilizzo di laser a femtosecondi (Femtosecond Laser Micromachinging FLM); l'idea principale è che focalizzando impulsi ultrabrevi in materiali trasparenti si ottengono modifiche permanenti del materiale, che dipendono dai parametri d'irraggiamento. Sfruttando le potenzialità di questa tecnica abbiamo fabbricato sia la componente fluidica, il microcanale, sia la componente ottica per l'analisi e la manipolazione del campione biologico, le guide d'onda. Successivamente abbiamo testato il dispositivo, prima su microsfere in polistirene, poi su campioni biologici. Mediante le guide integrate è stato possibile eccitare selettivamente la fuorescenza e conseguentemente separare la popolazione mediante pressione di radiazione. Pertanto, il risultato di questo lavoro è stata la realizzazione di un dispositivo estremamente compatto e portatile basato interamente su forze ottiche, in grado di separare efficacemente un campione eterogeneo di particelle in base alla fluorescenza.