Characterization of a microfluidic device for autonomous biological cell entrapment and electrical interrogation

Abstract

Microfluidic devices have become a great tool to target biological cells individually. They are easy to manufacture, involve short time assays, use small sample and reagent volumes, and usually have low Reynolds number (Re), which is adequate for the handling of biological cells. However, these devices usually require complicated pumping mechanisms that work with external connections, tethers or tubing to transport and study cell samples. A microfluidic device to capture single biological cells with hydrodynamic traps for subsequent electrical treatment in parallel is proposed in this thesis by the use of a new autonomous pumping mechanism. The device presented in this research project was manufactured by photolithography and Polydimethylsiloxane (PDMS) soft lithography. The system is designed to capture individual cells in hydrodynamic traps autonomously by the use of two main microchannels: one for loading the cell sample and another to drain the channel. The two main channels share a fluidic connection through the trap area where particles are trapped individually following the streamline at the vicinity of each trap. The fluid was introduced into the main channels by filling up polystyrene fittings with a micropipette. The volume and thus the fluid level at each fitting could be controlled individually to achieve a pressure driven flow. Each fitting was also integrated with a silver/silver-chloride electrode for subsequent electrical treatment. To inhibit biological cell adhesion to the PDMS walls or glass substrate, the channels were functionalized with Bovine Serum Albumin (BSA). The fluidic behavior of the passive pumping mechanism was characterized using micron sized polystyrene beads (15µm diameter) to determine the optimal flow for cell handling (trapping/release). Experimental results show that the efficiency of the trapping and/or release of microbeads are a function of the fluid volume ratio among fluidic inlet/outlet ports. Results with HeLa cells (cervical cancer cells) show the same behavior observed with polystyrene beads. However, the range of operation is narrower since the biological cells tend to deform and pass through the traps when the local fluid flow is above a critical value. The observed deformation of the biological cells at the traps is attributed to their viscoelastic nature. Electrical interrogation experiments suggest that the dimensions at the trap zone should be smaller in order to achieve effective electroporation of cells with real-time ionic current feedback. In this work we have demonstrated that the passive pumping mechanism is effective in transporting and immobilizing single cells when the geometrical design of the fluidic channel is appropriate. In addition, we have demonstrated that it is possible to monitor the device’s trapping efficiency by electrical means, removing the need to use a complex microscopic setup to operate the system. This device represents a step towards developing high-throughput cell-based assay for drug screening, cellular electroporation, and other applications in the field of bioengineering.

Los dispositivos microfluídicos se han convertido en una gran herramienta para manipular y/tratar células biológicas individuales. Son fáciles de fabricar, requieren ensayos de corto tiempo, requieren poco volumen de reactivos y muestras, y por lo general tienen un bajo número de Reynolds (Re), lo cual es adecuado para la manipulación de células biológicas. Sin embargo, estos dispositivos normalmente requieren complicados mecanismos de bombeo que funcionan con extensas conexiones externas o tubería para el transporte y el estudio de muestras de células. En esta tesis se presenta un nuevo tipo de dispositivo microfluídico diseñado para capturar células biológicas individuales en trampas hidrodinámica para su posterior tratamiento eléctrico en paralelo con el uso de un nuevo mecanismo de bombeo autónomo. Los dispositivos presentados en este proyecto de investigación fueron fabricados con fotolitografía y litografía blanda de polidimetilsiloxano (PDMS). El sistema está diseñado para capturar las células individuales en las trampas hidrodinámicas de manera autónoma por el uso de dos microcanales principales: una para la carga de la muestra de células y otro para drenar el canal. El líquido se introduce en los principales canales llenando conectores fluidicos de poliestireno con una micropipeta. El volumen y por lo tanto el nivel del líquido en cada conector puede ser controlado de forma individual logrando así un flujo propulsado por el gradiente en presión. En todos los conectores fluidicos también se integró un electrodo de plata/cloruro de plata para el tratamiento eléctrico. Para inhibir la adhesión de las células biológicas a las paredes de PDMS o sustrato de vidrio, los canales fueron funcionalizados con albúmina de suero bovino (BSA, por sus siglas en ingles). El comportamiento fluídico de la técnica de bombeo pasivo se caracterizó con micro-partículas de poliestireno (15µm de diámetro) para determinar el flujo óptimo para la manipulación de células biológicas (captura / liberación). Los resultados experimentales muestran que la eficiencia de la captura y/o liberación de las microesferas son una función de la relación entre el volumen de líquido en cada uno de los puertos fluídicios de entrada y salida. Resultados con las células HeLa (células de cáncer de cuello uterino) muestran el mismo comportamiento observado con partículas de poliestireno. Sin embargo, el rango de operación es menor, ya que las células biológicas tienden a deformarse y pasar a través de las trampas cuando la velocidad del flujo en el área de la trampa está por encima de un valor crítico. La deformación observada de las células biológicas en las trampas se atribuye a su naturaleza viscoelástica. Experimentos eléctricos sugieren que se requiere pequeñas dimensiones en la zona de la trampa para lograr la electroporación eficaz de las células con retroalimentación a tiempo real de la corriente iónica. En este trabajo hemos demostrado que el mecanismo de bombeo pasivo es eficaz en el transporte y la inmovilización de las células individuales cuando el diseño geométrico de los canales fluidicos es apropiado. Además, hemos demostrado que es posible monitorear la eficiencia de captura del dispositivo por medios eléctricos, eliminando la necesidad de utilizar una compleja configuración microscópica para operar el sistema. Este dispositivo representa un paso hacia el desarrollo de ensayos de alto rendimiento basados en células biológicas para la detección de drogas, electroporación celular, y otras aplicaciones en el campo de la bioingeniería.