Electronic instrumentation for electrochemical cell monitoring in lab-on-chip devices

Study of neural stem cells differentiation is one of the most appealing challenges in modern biology. For this purpose, researchers need new technologies for quantitative cellular monitoring, which may be developed combining different design methodologies with a multi-disciplinary approach. The European project EXCELL has been conceived in this framework, with the aim of developing a platform for simultaneous electrochemical and optical cell monitoring inside a microfluidic culture system. The work presented in this thesis is focused on design and implementation of electronic instrumentation and its integration inside the EXCELL microfluidic platform. At this aim, two different multichannel instruments have been realized. First one is optimized for monitoring cell population growth and differentiation on interdigitated electrodes with an area of 6 10^4 µm^2 by measuring impedance in the 10mHz - 100kHz frequency range. For maximum versatility, the instrument can also perform time domain measurements with 5pArms input noise (100ms time averaging). The compact 24-channels prototype is fully integrated with a microfluidic platform to allow automatic monitoring of cell cultures. The second instrument has been designed with the different aim of performing electrochemical imaging of exocytotic events on single or small groups of cells. It operates in parallel on 54 small electrodes (diameter of 5µm) with 3pArms input noise, a time resolution of 54µs and 5kHz analog bandwidth. A final part of the work contained in this thesis was devoted to explore a post-CMOS fabrication technique to deposit gold biocompatible electrodes on integrated circuits, thus integrating sensors and front-end circuits on the same substrate and overcoming the limitation set by connection between electrodes and electronics.

Lo studio delle cellule staminali neuronali e del loro processo di differenziazione è una delle sfide più interessanti della biologia contemporanea. Per questo fine, i ricercatori necessitano di nuove tecnologie di monitoraggio cellulare quantitativo, che possono essere sviluppate combinando diverse metodologie di progettazione con un approccio multidisciplinare. Il progetto europeo EXCELL è stato concepito in questo contesto, con l'obiettivo di sviluppare una piattaforma per il monitoraggio elettrochimico e ottico in un sistema di cultura microfluidico. Il lavoro illustrato in questa tesi ha avuto come obiettivo la progettazione e realizzazione di strumentazione elettronica e la sua integrazione all'interno della piattaforma microfluidica realizzata in EXCELL. In particolare, due strumenti multicanale sono stati realizzati. Il primo è ottimizzato per monitorare la crescita e differenziazione di una popolazione di cellule con elettrodi con un''area di 6 10^4 µm^2 tramite la misura di impedenza nel range di frequenze da 10mHz a 100kHz. Per massima versatilità, lo strumento può anche eseguire misure nel dominio del tempo con rumore in ingresso di 5pArms (con media mobile di 100ms). Il compatto potenziostato a 24 canali è integrato in una piattaforma microfluidica permettendo il monitoraggio automatizzato di colture cellulari. Il secondo strumento è stato invece progettato allo scopo di eseguire imaging elettrochimico di esocitosi su singole cellule. Lo strumento opera in parallelo su 54 elettrodi circolari (diametro 5µm) con rumore in ingresso di 3pArms, risoluzione temporale di 54µs e banda analogica di 5kHz. La parte conclusiva di questo lavoro è stata rivolta a sviluppare una tecnica di fabbricazione per depositare elettrodi biocompatibili su circuiti integrati CMOS, con l'obiettivo di integrare sensori e circuiti di interfaccia su un unico substrato, superando così i limiti posti dalle interconnessioni tra elettrodi e strumentazione.