MEMS device with built-in microfluidics for biophysical characterization of single cancer cells. Développement d’un microsystème intégrant les fonctions microfluidiques pour la caractérisation biophysique de cellules cancéreuses uniques

Archive ouverte : Thèse

Takayama, Yuki

Edité par HAL CCSD

Considering the dimensions of cells, using microtechnologies has numerous advantages to handle single cells for stimulation and detection. Biophysical properties, such as mechanical and electrical, can be targeted by the MEMS technology. However, MEMS devices perform poorly in conductive liquids for both mechanical and electrical detection. Therefore, this study proposes to separate the biological sample handling from mechanical actuation and electrical detection regions of a MEMS device. Moreover, to improve the throughput and provide higher practicality, the MEMS device is designed to have an integrated microfluidic channel.In this thesis, a novel device has been introduced to perform simultaneous mechanical and electrical characterization of single circulating cells. Initially, different cell lines are compared based on mechanical properties obtained by AFM which perform poorly on circulating cells. As the next step, Silicon NanoTweezers (SNTs), modified to perform measurements on single cells, are used to test the MEMS elements of the proposed device as well as to distinguish cell lines with different metastatic potential. Finally, the proposed device is designed to have a microchannel integrated with the MEMS elements. The stimulating and detecting MEMS elements are optimized for better performance and the device is tested to perform single cell measurements.Although the AFM measurements suffer from serious shortcomings when applied on circulating cells, this study shows that SNT can be used to distinguish different cell lines based on their mechanical properties. Using the SNT geometry, the proposed device with integrated microchannel is designed, optimized, fabricated and tested. The optimized device is capable of handling solutions inside the channel, and also detecting the mechanical and electrical alterations among various solutions having different viscosity and ionic strength. The device is also tested on capturing a single cell. The captured cells are used for performing mechanical and electrical measurements simultaneously to provide information on the size, stiffness and viscous losses together with electrical properties. To conclude, the practical multi-parameter analysis provided with the proposed device is a promising way to investigate the metastatic potentials of circulating tumour cells. . Les cellules circulantes ont des tailles microniques (10-30 microns de diamètre), les microtechnologies présentent donc de multiples avantages dimensionnels pour les manipuler, les stimuler et les caractériser de manière individuelle. Cependant les dispositifs MEMS sont inopérants dans un environnement liquide conducteur pour y réaliser les caractérisations électriques et mécaniques. Afin de s’affranchir de cette limitation, cette étude propose de séparer la partie qui manipule la cellule dans son environnement biologique et les actionneurs et capteurs du MEMS réalisant les mesures électriques et mécaniques. De plus, pour augmenter le débit de caractérisation et permettre une bonne opérabilité, le dispositifs MEMS intègre directement le canal microfluidique dans lequel les cellules vont circuler.Cette thèse propose un dispositif original qui permet la mesure simultanée des caractéristiques électriques et mécaniques de cellules circulantes uniques. Dans un premier temps, différentes lignées cellulaires sont comparées sur la base de caractérisations mécaniques réalisées par AFM, une technique qui, ici, s’est avérée difficile à mettre en œuvre pour ces cellules circulantes. Ensuite, des nanopincettes en silicium (SNTs, Silicon Nano tweezers) ont été modifiées pour permettre la manipulation de cellules et ont permis de concevoir et tester les éléments de base du futur dispositif MEMS, les caractérisations réalisées par les SNT ont permis de distinguer des cellules connues pour avoir des potentiels métastatiques différents. Finalement, la conception du nouveau dispositif MEMS intégrant le canal microfluidique est détaillée. Les actionneurs et les capteurs du dispositif ont ensuite été optimisés pour améliorer la sensibilité des mesures et le dispositif complet a ensuite été validé par la manipulation et les mesures électriques et mécaniques de cellules uniques.Cette étude montre que les SNT sont capables de distinguer différentes lignées cellulaires par leur propriétés mécaniques. En exploitant la topologie des SNT, un micro dispositif original intégrant le canal microfluidique pour le transport des cellules a été conçu, optimisé, fabriqué et testé. Ce dispositif est capable de contrôler les écoulements des solutions dans le micro canal, et de détecter les effets mécaniques et électriques induits par différents types de solutions ayant des viscosités (solution avec différentes concentrations de glucose) et des conductivités variées (solution ayant différentes concentrations de NaCl). Ce dispositif est également capable de capturer des cellules uniques dans le canal intégré. Les cellules capturées ont été caractérisées mécaniquement et électriquement pour en extraire les informations relatives à leur taille, leur rigidité, leurs pertes visqueuses ainsi que leurs propriétés électriques. En conclusion, les analyses multi-paramètres réalisées par ce nouveau dispositif s’avère être une voie prometteuse pour examiner le caractère métastatique de cellules tumorales circulantes.

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