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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/4475

Title: Development of microfluidic devices for biomedical applications of synchrotron radiation infrared microspectroscopy
Other Titles: SVILUPPO DI DISPOSITIVI MICROFLUIDICI PER APPLICAZIONI BIOMEDICHE DELLA MICROSPETTROSCOPIA INFRAROSSA CON RADIAZIONE DI SINCROTRONE
Authors: Birarda, Giovanni
Supervisor/Tutor: Franciosi, Alfonso
Co-supervisor: Grenci, Gianluca
Vaccari, Lisa
Issue Date: 8-Apr-2011
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: ABSTRACT DEVELOPMENT OF MICROFLUIDIC DEVICES FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS OF SYNCHROTRON RADIATION INFRARED MICROSPECTROSCOPY by Birarda Giovanni The detection and measurement of biological processes in a complex living system is a discipline at the edge of Physics, Biology, and Engineering, with major scientific challenges, new technological applications and a great potential impact on dissection of phenomena occurring at tissue, cell, and sub cellular level. The present PhD Thesis dealt with the development of methodologies and technologies to transform InfraRed MicroSpectroscopy (IRMS) into a mature technique to observe in real time biological events, and improving its ability to perform in vitro bio-experiments under physiological conditions. This goal has been achieved through the exploitation of microfabrication techniques to realize lab-on-chip (LOCs) transparent both in the Infrared and Visible region (IR-Vis), which allows measuring living cells. Up to now, IRMS has been almost exclusively employed for studying fixed cellular samples or tissues, allowing acquiring only “still frames” of the phenomena under investigation. The reason for that is to be ascribed both to the spectroscopic difficulties in working in water based environment and to the manufacturing constrains of the most common IR transparent materials, that limit the design flexibility of LOC devices suitable for IR analysis. We have overcome the so called “water absorption barrier” by extending microfluidic concepts to calcium fluoride, implementing innovative fabrication solutions for the realization of custom devices for IRMS studies of living cells subjected to different chemical and physical stimuli. Exploiting the high brightness of Synchrotron Radiation (SR) IR sources, that allows sampling at diffraction limited spatial resolution, we demonstrated the feasibility of the detection of intra-cellular processes. In parallel, novel strategies for IR data acquisition and analysis have been developed, opening the possibility to execute novel original experiments. Our studies were focused on the immune system, and in particular in evaluating the biochemical rearrangements characterizing human circulating leukocytes during their deformation, either when induced by purely mechanical stimuli or in response to a chemical gradient. Thanks to the microfabrication approach, we were able to mimic the cellular microenvironment both for studying pressure-driven micro-capillary circulation and chemically-driven extravasations of white blood cells. The present Thesis demonstrates that the “synergy of micro-approaches”, or rather the combination of micro-fabrication and IR micro-spectroscopy, can be exploited for extending the frontiers of Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) to unexplored fields of life sciences. Through the careful control of the cellular microenvironment, crucial for an accurate data analysis as well as fundamental for the reliability of biological conclusions, some light could be shed on phenomena never investigated with IRMS, such as mechano-biology we directly explored, pulling down the water-barrier.
RIASSUNTO SVILUPPO DI DISPOSITIVI MICROFLUIDICI PER APPLICAZIONI BIOMEDICHE DELLA MICROSPETTROSCOPIA INFRAROSSA CON RADIAZIONE DI SINCROTRONE di Birarda Giovanni L’identificazione e la quantificazione di processi biologici in un complesso sistema vivente può essere ritenuta una disciplina al confine tra la Fisica, la Biologia e l’Ingegneria, con importanti sfide scientifiche, innovazioni tecnologiche e un grande impatto sulla dissezione di fenomeni a livello tissutale, cellulare e sub cellulare. Il presente lavoro di Dottorato ha avuto come obiettivo lo sviluppo di metodologie e tecnologie atte a rendere la MicroSpettroscopia InfraRossa (MSIR) una tecnica matura allo studio in tempo reale di fenomeni biologici, permettendo di effettuare esperimenti “in vitro” in condizioni fisiologiche. Questo obiettivo è stato raggiunto tramite l’utilizzo delle tecniche di microfabbricazione per la realizzazione di un “Lab-on-Chip” (LOC) trasparente sia nella regione dell’infrarosso che nel visibile, tramite il quale misurare cellule vive. Infatti fin’ora la MISR è stata impiegata quasi esclusivamente per lo studio di campioni di tessuti o di cellule fissati, permettendo di registrare solo “singoli fotogrammi” dei fenomeni sotto indagine. La ragione di questa limitazione è da imputarsi alle difficoltà spettroscopiche che si incotrano nell’investigazione di sistemi acquosi e ai limiti di fabbricazione dei più comuni materiali IR trasparenti, che hanno limitato la flessibilità di design necessaria alla realizzazione di LOC adatti alle analisi tramite MSIR. Siamo riusciti a superare la cosiddetta “barriera di assorbimento dell’acqua” tramite l’estensione dei concetti della microfluidica e dellamicrofabbricazione al calcio fluoruro, implementando soluzioni fabbricative che hanno permesso lo studio tramite MSIR di cellule viventi sottoposte a differenti stimoli sia di natura chimica che fisica. Grazie all’alta brillanza della Radiazione di Sinctrotrone (SR) IR, che permette il campionamento con una risoluzione spaziale al limte di diffrazione, abbiamo dimostrato la fattibilità dell’individuazione dei processi intra celluari. Contemporaneamente sono state sviluppate nuove strategie per l’acquisizione dei dati e per la loro analisi, permettendo il design di esperimenti innovativi. I nostri studi si sono concentrati sullo studio del sistema immunitario, in particolare nella valutazione della risposta biochimica caraterristica dei leucociti circolanti durante la loro deformazione, sia indotta da cause di tipo puramente meccanico, sia in risposta a gradienti chimici. Grazie alla microfabbricazione, siamo stati capaci di simulare il microambiente cellulare sia per lo studio dei globuli bianchi durante la circolazione microcapillare sia durante l’extravasazione indotta da gradienti chimici. La presente Tesi dimostra che la sinergia dei “micro” approcci, o piuttosto la combinazione di microfabbricazione e microspettroscopia IR, può essere usata per estendere le frontiere della MSIR a nuovi campi nello studio delle scienze della vita. Attraverso il preciso controllo del microambiente cellulare, cruciale per un’accurata analisi dei dati e fondamentale per l’attendibilità delle conclusioni biologiche, si possono chiarire fenomeni finora mai investigati tramite MSIR, come la meccano-biologia che abbiamo esplorato direttamente, abbattendo la barriera dell’acqua.
PhD cycle: XXIII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NANOTECNOLOGIE
Description: 2009/2010
Keywords: Synchrotron Radiation Infrared Microspectroscopy
Microfluidics
Living Cells
Immune System
Microfabrication
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: FIS/01 FISICA SPERIMENTALE
NBN: urn:nbn:it:units-9040
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