Microlavorazione laser a femtosecondi di un dispositivo optofluidico in plastica per manipolazione ottica 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 Chips (LOCs) 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 analysis 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 diagnostics to careful study of cells of interest. During this project, we have exploited the potential of femtosecond laser micromachining to design, fabricate, and validate optofluidic devices for applications in biophotonics. With this technique, by irradiating a transparent material with femtosecond laser pulses we can obtain permanent modification in the sample. In particular, we have implemented a polymethylmethacrylate (PMMA) device for single cell manipulation and analysis, with a microfluidic channel and two grooves for the integration of two optical fibers. Afterwards we have made a first demonstration of the device functionalities, using polystyrene microspheres. The result of this work is the realization in plastic of an extremely compact and portable device, completely based on optical forces, that could manipulate single cells with high efficiency and reliability.

Negli ultimi anni si è assistito ad innovazioni radicali 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 trasversali di alcune decine o poche centinaia di micrometri. Un aspetto che sta catalizzando un crescente interesse è la capacità di integrare nei LOCs anche le componenti ottiche necessarie per investigare il campione biologico, consentendo di ottenere dispositivi più compatti, portatili e con un elevato grado di allineamento fra l'ottica e la fluidica. Inoltre, i dispositivi optofluidici costituiscono potenti mezzi per analisi e manipolazione a livello di singola cellula, 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 polimetilmetacrilato (PMMA) per l'intrappolamento e l'analisi di singole cellule. La fabbricazione del chip è stata realizzata mediante l'utilizzo di laser a femtosecondi (Femtosecond Laser Micromachinging, FLM ): focalizzando impulsi ultrabrevi in materiali trasparenti, si ottengono modifiche permanenti, che dipendono dai parametri d'irraggiamento. Sfruttando le potenzialità di questa tecnica, abbiamo fabbricato sia la componente fluidica, il microcanale, sia l'alloggiamento della parte ottica, ovvero due incavi con le dimensioni adatte per ospitare due fibre ottiche che permettano la manipolazione del campione biologico. Una prima dimostrazione è stata effettuata con microsfere in polistirene: mediante due fasci laser contropropaganti ed opportunamente allineati, è stato possibile intrappolare singole sfere polimeriche. Il risultato è stato dunque la realizzazione in plastica di un dispositivo estremamente compatto e basato interamente su forze ottiche, per la manipolazione di singole cellule.