Towards on-chip controlled single cell drug delivery via magnetic nanoparticles

This thesis work deals with the development toward an on-chip platform for achieving a controlled drug-delivery to a target cell via magnetic nanoparticles exploited as drug carriers. With this platform two main issues are addressed: sensing the magnetic nanoparticles transit in a microfluidic cell and finely manipulating them at the nanoscale to a target cell, in order to deliver a specific drug. The magnetic beads are detected by means of two different sensors based respectively on the Anisotropic Magnetoresisrance effect (AMR) and on an impedantial measurement. The handling method is founded on the coupling of magnetic beads with externally controlled magnetic domain walls and it is called domain walls tweezers (DWT).This recent manipulation technique has attracted a growing interest in biology and medicine as functionalized magnetic particles are commonly used as molecular and cellular carriers or markers. The experimental work can be divided in three main parts: 1-Implementation of the DWTs technology to achieve a synchronized manipulation of a magnetic nanoparticles batch over magnetically patterned magnetic chip. The design and the fabrication of the employed devices is also described in this work. 2-Fabrication, development and test of AMR and capacitive sensors for the detection and transport of magnetic beads. 3-Controlled administration of magnetic nanoparticles to a target cell by means of the DWTs technology. The particles are handled over patterned magnetic devices, properly projected and fabricated. The work has been realized under the supervision of Professor Riccardo Bertacco, responsible for the NaBiS group at the LNESS Center-Dipartimento di Fisica of the Politecnico di Milano, Polo Regionale di Como. A part of the biological experiments have been performed at the "Istituto Farmacologico di Oncologia molecolare" IFOM, in Milan. The fabrication of the sensors has been executed in collaboration with the "e-beam litography and graphene" group of LNESS, while sensor testing and detection measurements have been carried out with the "Electronic engineering" group of the Politecnico di Milano. The fabrication of DWTs chip has been performed in collaboration with Andrea Cattoni of LPN (Paris). The thesis is organized in 6 sections. In chapter 1, an oveview of the technological background concerning drug-delivery and lab-on-chip devices is illustrated. Chapter 2 discusses the physics principles of the DWT technology and the principles exploited to handle magnetic nanoparticles. Chapter 3 explains the experimental methods which have been employed. In chapter 4, the manipulation of magnetic nanoparticles is described. Chapter 5 explains the results related to the AMR and capacitive sensors. In chapter 6 the controlled administration of nanoparticles to the target cell is illustrated and, finally, the conclusions are presented.

Il lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo di una piattaforma "on-chip" che permetta la somministrazione controllata di un farmaco specifico a una cellula bersaglio, attraverso l'impiego di nanoparticelle magnetiche come veicoli per trasportare tali farmaci. Le funzionalità implementate in questa piattaforma sono essenzialmente due: rilevare, attraverso dei sensori, il passaggio delle nanoparticelle in una cella microfluidica e manipolarle con un' alta risoluzione spaziale verso la cellula bersaglio. Due diversi sensori sono stati utilizzati per questo scopo: i primi sono basati sull' effetto di anistropia magnetoresistiva (AMR), mentre i secondi su una misura impedenziale. La tecnica di manipolazione, chiamata "DWT" (domain walls tweezers) si fonda sull'accoppiamento tra i "bead" magnetici e le pareti di dominio magnetiche che si formano in condotti di Py a causa della peculiare forma geometrica e la cui posizione puo' essere controllata grazie all'applicazione di un campo magnetico esterno. Questo metodo di manipolazione ha attratto un interesse sempre crescente in ambito medico e biologico poiche' le particelle magnetiche vengono, oggigiorno,comunemente impiegate come veicoli (per sostanze biologiche o farmaci) e/o marcatori specifici. II lavoro sperimentale svolto puo' essere diviso in 3 parti principali: 1-Implementazione della tecnologia "DWT", ottenendo una manipolazione controllata e simultanea di un gruppo di nanoparticelle magnetiche su un chip nanostrutturato dotato di nanocondotti magnetici. La progettazione e la fabbricazione di tali campioni viene inoltre presentata in questo lavoro. 2-Fabbricazione, sviluppo e test dei sensori "AMR" e capacitivi, impiegati per rilevare le nanoparticelle magnetiche. 3-Somministrazione controllata di nanoparticelle magnetiche ad una cellula bersaglio, facendo uso della tecnologia "DWT". Le nanoparticelle vengono manipolate su chip dotati di "DWT" e ottimizzati per tale scopo. Il lavoro sperimentale è stato realizzato sotto la supervisione del Professore Riccardo Bertacco, responsabile del gruppo NaBiS presso il centro LNESS-Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, Polo Regionale di Como. Una parte degli esperimenti biologici sono stati svolti al "Istituto Farmacologico di Oncologia molecolare" IFOM, a Milano. Hanno collaborato a questo progetto: per la parte che riguarda la fabbricazione dei chip di sensori il gruppo di "litografia elettronica e grafene" del centro LNESS, per la fabbricazione dei DWTs Andrea Cattoni di LPN (Parigi) e per le misure per la detection dei beads il gruppo di "ingegneria elettronica" del Politecnico di Milano. Questo elaborato di tesi è organizzato in sei diversi capitoli. Il capitolo 1 tratta del background tecnologico su cui si fonda il lavoro ed in particolare affronta le tematiche della "drug-delivery" e del "Lab-on-chip". Il capitolo 2 descrive i principi fisici su cui si basa la tecnologia DWT e in quale modo viene utilizzata per manipolare le nanoparticelle magnetiche. Il capitolo 3 si occupa delle tecniche e dei metodi sperimentali utilizzati in questo lavoro. Il capitolo 4 descrive la manipolazione di nanoparticelle magnetiche. Nel capitolo 5 vengono descritti i risultati ottenuti sui sensori AMR e capacitivi. Nel capitolo 6 viene illustrata la somministrazione di nanoparticelle magnetiche a una cellula bersaglio; infine, le conclusioni del lavoro sono presentate.