Bridging Scales – Nanofabrication and Microfluidics for Sensing and Cell Culture Platforms

QC 20250411

Abstract

Banbrytande upptäckter inom biologi och medicin, från jonkanaler till inducerade pluripotenta stamceller, har resulterat i ett paradigmskifte. Framsteg inom fysik och ingenjörsvetenskap har varit avgörande för att avslöja biologins mysterier och belysa att framtidens nya avancemang ligger i att fördjupa vår förståelse på enskild cell- och molekylnivå. Genom att tillämpa olika fysikaliska och ingenjörsvetenskapliga principer får vi nya insikter gällande komplexa biologiska system på dessa nivåer, vilket möjliggör utvecklingen av olika teknologier såsom detektion av enskilda molekyler, organ-på-chip-plattformar och organoider. Utvecklingen av dessa teknologier ger värdefulla insikter för sjukdomsprogressioner och individanpassade terapeutiska strategier. Framstegen inom mikro- och nanofabrikation driver utvecklingen av sensorplattformar och biologiska enheter som banar väg för nya lösningar där det bästa från två världar förenas. Denna avhandling syftar till att bidra till utvecklingen av fälten för enskild molekyl-detektion och cellterapi genom att integrera biologiska upptäckter med ingenjörsvetenskapliga framsteg för att skapa nya teknologiska verktyg.

Den första delen av denna avhandling introducerar och beskriver två metoder för detektion av enskilda molekyler, specifikt tunnel-nanogap och fasta nanoporer som sensorplattformar. Den första studien rapporterar om den specialanpassade mätuppställning som byggdes under projektet och som möjliggör automatiserad avläsning och testning av arrays med hundratals tunnelövergångar i vätska med integrerad mikrofluidik, strömmar i pA-området och samplingsfrekvenser upp till 200 kHz. Systemet belyser viktiga elektriska och mikrofluidiska komponenter samt de designval som krävs för att uppnå en skalbar mätmetod, vilket skapar en plattform för vidare studier och utveckling inom detta fält och möjliggör potentialen för dynamisk detektion. Den andra studien i denna avhandling undersöker tillverkningen och den elektriska funktionen hos tunnelövergångar i olika gas- och vätskemedier genom återkopplingsstyrd elektromigration av mikrofabrikerade guldkonstriktioner. Detta arbete kartlägger ledningsstabiliteten och egenskaperna hos de resulterande tunnelövergångarna och belyser olika överväganden och utmaningar vid arbete med on-chip-integrerade tunnelövergångar för att vägleda framtida insatser.

I den tredje studien skiftar vi fokus till fasta nanoporer och demonstrerar att nanoporer, som skapats genom kontrollerad dielektrisk nedbrytning, kan lokaliseras till platsen för femtosekundslaserexponering på ett orört kiselnitridmembran. Vi analyserar sensorpotentialen hos dessa nanoporer genom translokation av dubbelsträngat DNA genom porerna. Den fjärde studien använder den fasta nanoporplattformen för att detektera och studera bindningen av östrogenreceptor alfa till östrogenreceptor-element på DNA. Arbetet med tunnelövergångar och fasta nanoporbaserade sensorplattformar har potential för vidare utveckling inom fältet för enskild-(bio)molekyl-detektion.

Den andra delen av denna avhandling presenterar en mikrofluidisk chip-plattform som möjliggör enkel och snabb omprogrammering av somatiska celler, såsom fibroblaster, till inducerade pluripotenta stamceller (iPSCs). Dessa iPSCs kan sedan vidare differentieras till funktionella ektodermala celltyper mot neural linje, vilket resulterar i neurala stamceller på chipet. Vidare observerade vi genom bulk-RNA-sekvensering att den mikrofluidiska plattformen främjade genererering av neurala stamceller samtidigt som den minskade biologisk variation jämfört med en konventionell brunnsplatta. Vår metod tillhandahåller en enkel plattform med avsevärt minskade reagenskrav, cellinsatser och manuellt arbete, vilket leder till betydande kostnadsbesparingar och har potential för högkontrollerad produktion av kliniskt godkända iPSCs och differentierade celler för cellulära terapier.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-362324