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.
- Guias de ondas celulares
- Lab-on-chip fotónico;
- Interfaz chip-usuario
Living Photonics: Lab-on-a-chip technologies for light coupling into biological cells
Ackermann, T. N. (Autor/a). 9 nov 2017
Tesis doctoral