Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut de microélectronique et microsystèmes IMM (Laboratoire de microsystèmes 4 LMIS4)

Electrical cell manipulation in microfluidic systems

Seger, Urban ; Renaud, Philippe (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3610.

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    Summary
    This dissertation reports on the development of devices and concepts for electrical and microfluidic cell manipulation. In the present context, the term cell manipulation stands for both cell handling and cell modification. The combination of microfluidic channels with micropatterned electrodes allows for the definition of highly localised chemical and electrical environments with spatial resolution comparable to the size of a cell. The devices fabricated in the frame of this thesis employ dielectrophoretic particle handling schemes such as deflection and trapping in pressure-controlled laminar flows to bring cells to – or immobilise them at – locations where cell altering electric fields or chemicals are present. The two concepts of dielectrophoretic cell dipping and cell immersion are introduced and experimentally shown for erythrocytes dipped into Rhodamine in flow, and for individually immobilised Jurkat cells immersed by Trypan Blue. Also, in-situ membrane breakdown in high intensity AC electric fields is optically assessed by efflux of haemoglobin (haemolysis) and by influx of nucleic stains or fluorescence-enhancing ions. The most advanced experiments are on-chip medium exchange followed immediately by electropermeablisation or electrodeformation. The majority of assays presented in this thesis are carried out in microfabricated glass-polymer-glass chips featuring top-bottom electrodes. The devices are fluidically controlled by external gas pressure bridging circuits. Experimental evidence of the unmatched precision of pressure bridging is given in the case of micrometric xy positioning of cells at the intersection of two perpendicular microfluidic channels. Further shown in this document are two methods of optical in-situ temperature measurements, important for bioinstrument characterisation. The two concepts of thermoquenching of a fluorescent dye and the original thermoprecipitation of "smart polymers" are used. The last part of this work deals with the innovative, conceptual engineering tool Liquid Electrode. The general concept and its advantages over solid-state electrodes are given, followed by numerical particle tracking in the case of the novel lateral nDEP particle deflection. The chapter on liquid electrodes concludes with preliminary experimental results of buffer swapping of cells in flow and of AC electropermeabilisation of erythrocytes at frequencies far below the cut-off frequency of corresponding solid-state microelectrodes.
    Résumé
    Ce travail de doctorat présente le développement de dispositifs et de concepts pour la manipulation électrique et microfluidique de cellules. Dans ce contexte, le terme de manipulation de cellules se réfère à la manipulation ainsi qu'à la modification de cellules. La combinaison de canaux microfluidiques et de microélectrodes permet de définir des environnements chimiques et électriques hautement localisés, de résolution spatiale comparable à la taille d'une cellule. Les dispositifs réalisés dans le cadre de cette thèse se fondent sur des méthodes de manipulation diélectrophorétique de particules (telles que la déflection et le piégeage en flux laminaire sous contrôle de pression), afin de guider les cellules – ou de les immobiliser – à des endroits spécifiques où des champs électriques ou composés chimiques altérants sont présents. Les deux concepts de "cell dipping" diélectrophorétique et d'immersion de cellules sont présentés et démontrés expérimentalement pour des érythrocytes trempés dans de la Rhodamine en flux, ainsi que pour des cellules Jurkat immobilisées individuellement, immergées par du Trypan bleu. De plus, la perméabilisation membranaire in-situ, provoquée par des champs électriques AC de haute intensité est évaluée optiquement par afflux d'hémoglobine (hémolyse) et par influx de colorant nucléique ou d'ions promoteurs de fluorescence. Les expériences les plus avancées sont l'échange de milieu sur puce, suivi aussitôt par une électroperméabilisation ou une électrodéformation. La majorité des essais présentés dans cette thèse sont réalisés sur des micropuces en verre-polymère-verre comprenant des électrodes en haut et en bas des canaux. Le contrôle fluidique de ces dispositifs se fait par des circuits externes de division de pression de gaz. La précision inédite du système de contrôle par pression est mise en évidence dans le cas de positionnement planaire micrométrique de cellules à l'intersection de deux canaux microfluidiques perpendiculaires. Ce document présente de plus deux méthodes pour la mesure optique de température in-situ, dont l'application est importante pour la caractérisation d'instruments biomédicaux. Les deux concepts de thermoextinction (quenching) d'un colorant fluorescent et la précipitation de "smart polymers" sont utilisés. La dernière partie de ce travail se concentre sur l'outil d'ingénierie innovateur qu'est L'Electrode Liquide. Le concept général et ses avantages par rapport aux électrodes solides sont présentés, ainsi que des simulations numériques de trajectoires de particules déviées par diélectrophorèse latérale. Le chapitre sur les électrodes liquides se conclut avec les résultats expérimentaux préliminaires de cellules passées en flux d'une solution tampon à une autre, et d'électroperméabilisation AC d'érythrocytes à des fréquences bien inférieures à la fréquence de coupure d'électrodes solides de taille correspondante.