In Situ Electrical Sensing of Microfiltration Events in Complex Media
Détection Électrique In-Situ des Événements de Microfiltration dans des Milieux Complexes
Résumé
Microfiltration is a well-documented scientific and technological domain that still requires research when targeting the specific and accurate filtration of rare elements inside a complex medium. Indeed, innovative solutions for sample filtering of complex media may hold the key to multiple health-related and environmental issues and applications. Blood is a good example of a complex medium: it contains a large quantity and variety of cells and proteins and exhibits a viscosity three to eight times greater than water and non-Newtonian behavior when flowing. Clinical applications of blood filtration require processing large volume of blood either because of the scarcity of the targeted elements (in the case of circulating tumor cell capture, clinical relevance starts at 5 CTCs/mL of blood) or because the whole circulating blood needs to be expurgated from some adverse entities (such as cell aggregate! s or circulating microparticles in stroke and cardiovascular diseases). Finally, the biological nature of the targeted elements may introduce variability in the targeted element size and shape, therefore bringing fluidic challenges for their retrieval within such media. Blood filtration is a process which is central in hemodialysis, cardiovascular disease monitoring, and liquid biopsy applications based on the selective capture of Circulating Tumor Cells (CTCs), among other clinical contexts. For such applications, micro and nanofabrication using methods and techniques used today in advanced semi-conductor industry, brings the ability to control with great accuracy the size of the filtering pores with respect to the size of the targeted elements that require filtration. This level of accuracy in the fabrication process opens the opportunity to retain only the targeted element driving the biological information in the case of a diagnosis application or driving the pathogenic! ity in the case of therapeutic applications without impairing the composition of the eluted blood. However, because a large volume of blood is processed and due to the presence of millions of white blood cells (WBC) and billions of red blood cells (RBC) per milliliter of blood, such advanced microfabricated filters are subjected to clogging due to the unwanted accumulation of material unavoidably retained among time. This drawback appeals to the development of an in-situ method capable of sensing the cell density at the surface of these filters during use, to monitor their saturation in order to clean their surface or to proceed to their replacement by fresh ones. In this context, we propose clean room microfabricated devices capable of fulfilling these requirements. The produced sensing devices combine a filtering membrane with an in situ cellular electrical detection method through interdigitated microelectrodes and impedance spectroscopy measurements. Despite using micro! n-scale filtering pores and microfabricated devices, we propose a speci! fic design that enables blood filtration at a high flow rate (11.5 mL/min), which is much larger than usual microfluidic devices. Finally, we demonstrate that stable electrical measurements can be performed in whole blood at high flow rates to monitor the saturation of the filter by retained cells. Moreover, the fine analysis of the captured cells, usually entrusted to remote laboratories, could be transferred at the patient’s bedside along the sample processing if an in-situ analysis and real-time phenotyping of the collected cells through their electrical signature could be demonstrated. This aspect will be addressed through the conception and fabrication of dedicated filtering devices, thus broadening the application field of electrical sensing on a filtering membrane within a microfluidic chip. The research at the core of this PhD thesis has been implemented at LAAS-CNRS, an academic research laboratory of CNRS organization hosting a state-of-the-art clean room facility.
La microfiltration constitue un domaine scientifique et technologique bien documenté, mais qui nécessite encore des recherches approfondies lorsqu'il s'agit de cibler la filtration spécifique et précise d'éléments rares au sein d'un milieu complexe. En effet, des solutions innovantes pour le filtrage d'échantillons dans des milieux complexes pourraient être la clé de multiples problématiques liées à la santé et à l'environnement. Le sang est un exemple concret de milieu complexe : il contient une quantité importante et variée de cellules et de protéines, présentant une viscosité trois à huit fois supérieure à celle de l'eau, ainsi qu'un comportement non newtonien en écoulement. Les applications cliniques de la filtration sanguine nécessitent le traitement de grands volumes de sang, soit en raison de la rareté des éléments ciblés (dans le cas de la capture des cellules tumorales circulantes, la pertinence clinique co! mmence à 5 CTC/mL de sang), soit parce que l'ensemble du sang circulant doit être purgé d'entités indésirables (telles que des agrégats cellulaires ou des microparticules circulantes dans les maladies cardiovasculaires et les accidents vasculaires cérébraux). Enfin, la nature biologique des éléments ciblés peut introduire une variabilité dans leur taille et leur forme, posant ainsi des défis fluidiques pour leur récupération au sein de tels milieux. La filtration sanguine est un processus central dans l'hémodialyse, la surveillance des maladies cardiovasculaires et les applications de biopsie liquide basées sur la capture sélective des cellules tumorales circulantes (CTC), entre autres contextes cliniques. Pour de telles applications, la micro et nano fabrication utilisant des méthodes et des techniques de précision de l'industrie des semi-conducteurs offre la possibilité de contrôler avec une grande précision la taille des pores de filtration par rap! port à la taille des éléments ciblés nécessitant une filtration. Ce niveau de précision dans le processus de fabrication ouvre la voie à la rétention exclusive de l'élément ciblé, conduisant à l'information biologique dans le cas d'une application diagnostique, ou à la pathogénicité dans le cas d'applications thérapeutiques, sans altérer la composition du sang élué. Cependant, en raison du traitement d'un grand volume de sang et de la présence de millions de globules blancs et de milliards de globules rouges par millilitre de sang, de tels filtres microfabriqués sont sujets à l'obstruction due à l'accumulation de matériau retenue au fil du temps. Ce désavantage incite au développement d'une méthode in-situ capable de détecter la densité cellulaire à la surface de ces filtres pendant leur utilisation, afin de surveiller leur saturation en vue de nettoyer leur surface ou de procéder à leur remplacement par d’autres filtres. Dans ce contexte, ! nous proposons des dispositifs microfabriqués en salle blanche capable! s de répondre à ces exigences. Les dispositifs de détection produits combinent une membrane de filtration avec une méthode de détection cellulaire électrique in-situ à travers des microélectrodes interdigités et des mesures de spectroscopie d'impédance. Malgré l'utilisation de pores de filtration à l'échelle du micron et de dispositifs microfabriqués, nous proposons un design spécifique permettant la filtration sanguine à un débit élevé (11,5 mL/min), bien supérieur à celui des dispositifs microfluidique habituels. Enfin, nous démontrons que des mesures électriques stables peuvent être réalisées dans du sang entier à des débits élevés pour surveiller la saturation du filtre par les cellules retenues. De plus, l'analyse fine des cellules capturées, habituellement confiée à des laboratoires externes, pourrait être transférée au chevet du patient tout au long du traitement des échantillons, si une analyse in-situ et une phénotypisation en ! temps réel des cellules collectées par leur signature électrique pouvaient être démontrées. Cet aspect sera abordé à travers la conception et la fabrication de dispositifs de filtration dédiés, élargissant ainsi le champ d'application de la détection électrique sur une membrane de filtration au sein d'une puce microfluidique. La recherche au cœur de cette thèse de doctorat a été mise en œuvre au LAAS-CNRS, un laboratoire de recherche académique de l'organisation CNRS hébergeant une salle blanche.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)