A Label Free CMOS-Based Smart Petri Dish for Cellular Analysis

High throughput cell culture screening is a key challenge for a variety of life science applications, including drug discovery and cytotoxicity monitoring. Conventional cell culture analysis is widely performed using microscopic techniques that are not integrated into the target cell culture system. Additionally, these techniques are too laborious in particular to be used for real-time and continuous monitoring purposes. Recently, it has been proved that invitro cell microarrays offer great advantages for cell monitoring applications by reducing cost, time, and the need for animal model studies. Microtechnologies, including microelectronics and microfluidics, have been recently used in biotechnology for miniaturization of biological
and analytical systems. Despite many efforts in developing microfluidic devices using optical microscopy techniques, less attention have been paid on developing fully integrated sensors for monitoring cell parameters such as viability, growth rate, and cytotoxicity. Among various
available sensing methods, capacitive techniques offer low complexity platforms. This technique has significantly attracted attentions for the study of cell-surface interaction which is widely considered in biological studies. This thesis focuses on new approaches for cell growth and cytotoxicity monitoring using a fully
integrated capacitive sensor array. A hybrid platform combining microelectronic circuitry and microfluidic structure is proposed along with other required biological and chemical techniques for single cell detection and drug discovery applications. Standard submicron
complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) technology (TSMC 0.35 μm) is used to develop the microelectronic part of this platform. Also, the sensing electrodes are fabricated in standard CMOS process without the need for any additional post processing step, which
makes the proposed platform unique compared to other state of the art high throughput cell assays. Several challenges in implementing this platform such as sensitivity, bio-compatibility, and stability are discussed and corresponding solutions are provided. Specifically, a new
surface functionalization method based on polyelectrolyte multilayers deposition is proposed to enhance cell-electrode adherence and to increase sensing electrodes' life time. In addition, a novel technique for microwell fabrication and its integration with the CMOS chip is proposed to allow parallel screening of cells.
With the potential to perform inexpensive, fast, and real-time cell analyses, the proposed platform opens up the possibility to transform from passive traditional cell assays to a smart on-line monitoring system.

Résumé

Le dépistage de culture cellulaire à haut débit est le principal défi pour une variété d'applications
des sciences de la vie, y compris la découverte de nouveaux médicaments et le suivi de la cytotoxicité. L'analyse classique de culture cellulaire est généralement réalisée à l'aide de techniques microscopiques non-intégrées avec le système de culture cellulaire. Celles-ci sont
laborieuses spécialement dans le cas des données recueillies en temps réel ou à des fins de
surveillance continue. Récemment, les micro-réseaux cellulaires in-vitro ont prouvé de nombreux avantages dans le domaine de surveillance des cellules en réduisant les coûts, le temps et la nécessité d'études sur des modèles animaux. Les microtechniques, y compris la microélectronique et la microfluidique,ont été récemment utilisé dans la biotechnologie pour la miniaturisation des systèmes biologiques et analytiques. Malgré les nombreux efforts consacrés au développement de dispositifs
microfluidiques basés sur les techniques de microscopie optique, le développement de capteurs intégrés couplés à des micropuits pour le suivi des paramètres cellulaires tel que la viabilité, le taux de croissance et cytotoxicité a été limité. Parmi les différentes méthodes de détection disponibles, les techniques capacitives offrent une plateforme de faible complexité. Celles-ci ont été considérablement utilisées afin d'étudier l'interaction cellule-surface. Ce type d'interaction est le plus considéré dans la majorité des études biologiques.
L'objectif de cette thèse est de trouver des nouvelles approches pour le suivi de la croissance cellulaire et la surveillance de la cytotoxicité à l'aide d'un réseau de capteurs capacitifs entièrement intégré. Une plateforme hybride combinant un circuit microélectronique et une
structure microfluidique est proposée pour des applications de détection de cellules et de découverte
de nouveaux médicaments. Les techniques biologiques et chimiques nécessaires au fonctionnement de cette plateforme sont aussi proposées. La technologie submicroniques Standard
complementary metal-oxide-Semiconductor (CMOS) (TSMC 0.35 μm) est utilisée pour la conception du circuit microélectronique de cette plateforme. En outre, les électrodes sont fabriquées selon le processus CMOS standard sans la nécessité d'étapes de post-traitement
supplémentaires. Ceci rend la plateforme proposée unique par rapport aux plateformes de dépistage de culture cellulaire à haut débit existantes. Plusieurs défis ont été identifiés durant le développement de cette plateforme comme la sensibilité, la bio-compatibilité et la
stabilité et les solutions correspondantes sont fournies.