Microfluidic Devices as Diagnostic Tools for Plasma-Liquid and Plasma-Bio Interactions

Au cours des deux dernières décennies, les plasmas à basse température et à pression atmosphérique ont reçu un intérêt croissant de la part de chercheurs en technologies biomédicales. Ces plasmas peuvent influencer les processus biologiques naturels par le biais des photons qu’ils émettent et des espèces chimiques réactives qu’ils produisent. De nombreuses espèces chimiques produites par les plasmas en contact avec des gaz atmosphériques sont les mêmes que celles impliquées dans divers processus biologiques, dont la signalisation cellulaire. Aujourd’hui, les applications biomédicales du plasma incluent le traitement de plaies chroniques, le traitement de cellules et tissus cancéreux, la stérilisation et la décontamination. Afin d’accélérer la transition vers des traitements cliniques utilisant le plasma, les chercheurs de la communauté biomédicale sont à la recherche de modèles biologiques reproductibles, fiables et bien établis pour étudier les interactions entre des systèmes biologiques et les plasmas. À cet effet, nous croyons que l’utilisation de dispositifs microfluidiques offre des opportunités pour de telles recherches puisque leur utilisation permet déjà de reproduire efficacement et à faible coût des expériences de laboratoire dans différents domaines, dont la chimie analytique, la biochimie et la biologie. Ainsi, l’objectif central du projet est le développement d’une plateforme qui combine un dispositif microfluidique à une source de plasma afin de fournir de nouveaux outils pour l’étude des interactions plasma-liquide et pour utiliser la microfluidique dans un contexte de recherche en médecine par plasma. Pour ce faire, une nouvelle plateforme plasma-microfluidique a été développée permettant de mettre en contact un plasma d’hélium et de vapeur d’eau avec un liquide circulant dans un dispositif microfluidique. Cette plateforme combine le COST-Jet, une source de plasma de référence, avec des dispositifs microfluidiques fabriqués par impression 3D. Ces derniers ont été développés pour créer un écoulement de liquide et de gaz permettant à la fois une opération stable de la plateforme et une optimisation du transport des espèces chimiques générées par le plasma vers le liquide. La source de plasma a été caractérisée électriquement par une mesure de la dissipation de puissance de la décharge plasma. Les sources de plasma miniatures, comme le COST-Jet, ont de faibles capacitances menant facilement à de larges erreurs lors d’une mesure de puissance dissipée. Pour contrer ce problème, une méthode d’adaptation d’impédance a été adoptée permettant la mesure de la puissance dissipée par le plasma avec une incertitude de moins de 15%.

Abstract

In the last two decades, non-thermal and atmospheric pressure plasmas have received increas-ing interest from researchers in biomedical technologies. These plasmas can influence natural biological processes through the photons they emit and the reactive chemical species they produce. Many of the chemical species produced by plasmas in contact with atmospheric gases are the same as those involved in various biological processes including cell signaling. Today, biomedical applications of plasma include treatment of chronic wounds, treatment of cancerous cells and tissues, sterilization and decontamination. To accelerate the transition to plasma treatment in a clinical context, researchers of the plasma medicine community need reliable, reproducible and well-established biological mod-els to study the interactions between biological systems and plasmas. To this end, we believe that the use of microfluidic devices offers relevant opportunities for such research as microflu-idic devices already allow for efficient and low-cost replication of laboratory experiments in various fields of research including analytical chemistry, biochemistry and biology. Thus, the central objective of the project is the development of a platform that combines a microfluidic device with a reference plasma source to provide new tools for fundamental plasma-liquid interactions studies and to enable the use of microfluidics in the context of plasma medicine research. To this end, a new plasma-microfluidic platform has been devel-oped to couple a helium plasma source with a liquid flowing in a microfluidic device. This platform combines the COST-Jet, a reference plasma source, with 3D printed microfluidic devices. The microfluidic devices were developed to form a flow of liquid and gas that al-lows both a stable operation of the platform and an optimization of the transport of the plasma-generated reactive species to the liquid. The plasma source was electrically characterized by measuring the plasma discharge power dissipation. Miniature plasma sources, such as the COST-Jet, have small capacitances which easily lead to large uncertainties in the power dissipation measurement. To tackle this prob-lem, an impedance matching method has been adopted allowing a power measurement un-certainty of less than 15%. Moreover, the production and transport of reactive chemical species to the liquid flowing in the platform was confirmed by hydrogen peroxide concentra-tion measurements. This measured concentration varies from 0 to 25 µM depending on the experimental conditions.