2024-03-28T17:22:29Zhttps://www.tdx.cat/oai/requestoai:www.tdx.cat:10803/4586352017-12-28T08:16:45Zcom_10803_120col_10803_125
Living Photonics: Lab-on-a-chip technologies for light coupling into biological cells
Ackermann, Tobias Nils
Llobera Adàn, Andreu
Muñoz Berbel, Xavier
Ahufinger, Verònica
Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física
Guies d'ona cel·lulars
Guias de ondas celulares
Cell-lightguides
Lab-on-chip fotònic
Lab-on-chip fotónico
Photonic lab-on-a-chip
Interfície chip-usuari
Interfaz chip-usuario
Chip-to-world int
Ciències Experimentals
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Esta disertación abarca una investigación en tecnologías Lab-on-a-Chip (LoC) que permiten
acoplar luz a capas biológicas celulares como biofilms bacterianos o monocapas de eucariotas,
con el objetivo de transformar células en componentes fotónicos vivos adquiriendo un rol óptico
dual: transdusor y elemento de medición. El concepto de componentes fotónicos vivos supone
múltiples posibilidades en su monitoreo sin contacto y mínima invasión del proceso biológico
basado en una respuesta espectral autoreferencial a lo largo del tiempo del ensayo. Sin embargo,
la implementación de los ya mencionados elementos fotónicos vivos presenta retos multifacéticos:
los aspectos biológicos, las simulaciones numéricas, el diseño óptico, los avances en la
microfabricación a bajo costo y la adaptación de nuevos materiales para fabricación PhLOC y
cultivo celular en la interfaz óptica y el procesamiento de datos. Particularmente, nos centramos
en monitorear biofilms bacterianos y monocapas de células de mamífero debido a su relevancia
en la salud pública. Los biofilms bacterianos son un gran riesgo a la salud debido a su ubicuidad,
dinamismo y resistencia a los biocidas. Razón por la cual requiere un control intensivo, idealmente
con disposición de instrumentación miniaturizada. Por otro lado, las monocapas celulares
se han estudiado extensivamente por su relación con las afectaciones crónicas como la diabetes y
enfermedades cardiovasculares. Nuestras contribuciones sobre las interfaces ópticas se enfocan
en conexiones ópticas robustas y estandarizadas desde y hacia PhLoCs, usando un prototipado
rápido y económico basado en procesamiento de un laser de CO2. Una caracterización detallada
de Polimetilmetacrilato (PMMA) mecanizada por laser permite crear conexiones ”plug” a conectores
de fibra óptica SMA estándar, que se han comparado con sus homólogos comerciales y las
cuales son viables para un acoplamiento de luz en guías de onda de capas finas de polímero en
una configuración de PhLOC de alta relación Señal-Ruido (SNR). Así mismo, se desarrolló un
software modular de interfaces para el control integral del equipo de laboratorio. Este se basó
en una el lenguaje de programación libre ”Python”. Además de encargarse del extensivo procesamiento
de datos implícito en el monitoreo de un respuesta espectral, la interacción con el kit de
desarrollo de software Qt demostró buenos resultados para representaciones gráficas en tiempo
real. Nuestra contribución sobre la instrumentación miniaturizada para la monitorización de
las capas de bacterias estaba dirigida a la integración de componentes fotónicos en sustratos
termoplásticos (particularmente el PMMA). Esto proporciona una plataforma de bajo costo para
el estudio de la colonización de superfície en sistemas de distribución de aguas. Al modificar
localmente la superficie de la zona de detección, logramos una adhesión preferencial y una detección
óptica de bacterias en estadios tempranos de adhesion superficial en condiciones estáticas
a través de los segmentos de fibra óptica empotradas en los sustratos modificados. Para la implementación
de prototipos que simulen el flujo y las condiciones de presión en los sistemas reales
de distribución de agua, también pudimos explorar la integración de guias de onda de polímero
con canales de fluido; poniendo en práctica favorablemente nuevas estrategias de fabricación
para el encapsulado en PMMA de estructuras SU-8 obtenidas por fotolitografía. Utilizando estos
dispositivos y explotando nuestros resultados positivos en términos de interconectores ópticos
y interfaz informática el monitoreo de una población circular bacteriana arrojó que, bajo estas
condiciones, la colonización de superficie bacteriana podría ser asociada con una respuesta espectral
characterística con el tiempo. . Finalmente, se han investigado los ajustes necesarios al
paradigma PhLoC para la implementación de monocapas celulares de mamífero como componentes
fotónicos vivos. Concretamente, dirigimos nuestros esfuerzos en la evaluación numérica
y optimización del confinamiento de luz en capas irregulares de ambientes con bajo índice de
refracción y el desarrollo de estrategias adecuadas para el confinamiento de luz en dichas estructuras,
tomando en cuenta las restricciones biológicas, mucho más evidentes aquí que en el caso
de los biofilms. Con este fin, se estudiaron diferentes materiales tanto en cuestión de compatibilidad
con las propiedades previamente establecidas, como las técnicas viables de microfabricación
y bio compatibilidad. A fin de cuentas, basados en los resultados de los materiales adecuados, se
aplicaron dos opciones de arquitecturas PhLoc a culturas celulares in vitro en diferentes etapas
de diferenciación o procesos de inflamación, respectivamente.
This dissertation encompasses our research on Lab-on-a-Chip (LoC) technologies enabling light
coupling into biological cell layers like bacterial biofilms or monolayers of eukaryotes, with the
aim of making the cells act as living photonic components in the dual role of optical transducer
and reporter. The concept of living photonics suggests a host of possibilities in terms of contactless
and minimal invasive monitoring of biological processes based on a self-referenced spectral
response over time. The implementation of such living photonic elements however presented
a very multifaceted challenge, ranging from biological aspects over numerical simulations and
optical design, advancements in low-cost micro-fabrication and adaptation of novel materials
for PhLoC fabrication and cell culture to optical interfacing and data processing. In particular,
we focussed on monitoring bacterial biofilms and mammalian cell monolayers for their relevance
in public health. Bacterial biofilms are a major risk due to their ubiquity, resistance to
biocides and dynamism and therefore require an intensive control, for which miniaturised and
affordable instrumentation would be ideal, very few though is available. Cell monolayers on
the other hand are studied extensively in relation with chronic conditions like cardiovascular
diseases or diabetes,
Our contributions regarding optical interfacing focus on robust and standardised optical connections
to and from a PhLoC using a low-cost fast prototyping approach based on CO2-laser
processing. In particular, careful characterisation of poly-methylmetacrylate (PMMA) laser machining
allowed reliable ‘plug’ connections to standard 𝑆��𝑀��𝐴�� fiber-optics connectors, which
were benchmarked against commercial counterparts and applied to light coupling in thin film
polymeric waveguides in a high Signal-to-Noise ratio (SNR) PhLoC configuration. Here, optical
simulations were mainly employed in the design. In addition, we developed a modular
software interface for integral control of laboratory equipment based on the cross platform and
open source programming language Python. Besides taking care of the rather extensive data
processing implicit in long-term spectral monitoring via efficient number crunching modules
like Numpy, interfacing with the Qt software development kit proved apt for real time graphical
feedback with fast response times.
Our contributions regarding miniaturised monitoring instrumentation of bacterial biofilms focus
on integrating photonic components in thermoplastic substrates - in particular commercial
grade PMMA - to provide a cheap platform for the study of biofilm colonisation in water distribution
systems. By locally modifying the surface in the detection zone, we achieved preferential
adhesion and early optical detection of bacteria in static conditions via fiber-optics segments
embedded in the modified substrates. For the implementation of prototypes resembling the flux
and pressure conditions in real water distribution systems, we also explored the integration of
polymeric waveguides with fluidic channels, successfully implementing novel fabrication strategies
for the encapsulation of photolithographically obtained SU-8 structures in PMMA PhLoCs .
Using these devices, and exploiting our positive results in terms of optical interconnects and software
interface, monitoring of a circulating bacterial population suggested that bacterial surface
colonisation can in such circumstances indeed be associated with a distinct spectral response
over time.
Last, we investigated the adjustments to the PhLoC paradigm necessary regarding the implementation
of the much thinner mammalian cell monolayers as living photonics. Concretely, we
focussed our efforts on the numerical evaluation an optimisation of light confinement in thin
irregular layers in low-refractive index environments and the development of suitable strategies
to couple light to such structures, taking into account the biological constrains, which were
much more pronounced here as compared to biofilms. To that end, different materials were
studied in terms of compatibility with the established material parameters, available microfabrication
techniques and bio-compatibility. Finally, based on the results regarding suitable
materials, we applied two of the resulting PhLoC architectures to in vitro cell cultures in different
stages of differentiation or inflammatory processes, respectively.
2017-12-28T07:33:59Z
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2017-11-09
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
9788449076657
http://hdl.handle.net/10803/458635
eng
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Universitat Autònoma de Barcelona
TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)