Simulation numérique de l'opération de pièges microfluidiques à échantillons

Depuis l'essor du domaine de la microfluidique, des dispositifs microfluidiques de tous genres sont analysés, conçus et fabriqués dans plusieurs domaines d'application. Ce projet se concentre sur l'application biomédicale, spécifiquement l'utilisation de dispositifs microfluidiques dans le domaine de la recherche contre le cancer. L'oncologie bénéficierait de ces dispositifs, car ils permettraient d'utiliser un échantillonnage plus restreint pour arriver aux mêmes conclusions que des procédés cliniques dispendieux et encombrants dont la pertinence biologique est remise en question (dans le cas de tests de médicaments en Petri). Les dispositifs en question ont pour but de synthétiser des sphéroïdes cancéreux ou piéger des échantillons de modèles tissulaires 3D tumoraux afin de les exposer à des médicaments et autres traitements, et suivre leur viabilité. Ces dispositifs pourraient un jour intégrer toutes les étapes de l'évaluation du dosage de traitements afin d'accélérer et personnaliser les traitements en oncologie et augmenter le taux de survie des patients atteints de cancer. Dans la littérature à ce sujet, une classe de systèmes microfluidiques répandu et existant dans des formes variables est soulignée et est nommée dans ce travail : « piège microfluidique à échantillons ». Ces dispositifs permettent de simultanément piéger des tissus ou synthétiser des sphéroïdes, de les cultiver, de les exposer à des traitements, de les analyser avec des techniques d'imagerie et de conclure sur l'efficacité des traitements. Cependant, il n'existe toujours pas de cadre analysant le fonctionnement et la conception optimaux de cette classe de dispositif. L'objectif de ce projet est d'établir un cadre d'analyse rigoureux de la conception et de l'opération optimales de pièges microfluidiques à échantillons (PMÉ). Une analyse paramétrique large des PMÉ est effectuée à partir de leurs géométrie et opération typiques. La géométrie se réduit à un canal principal et une ou plusieurs extrusions cubiques à ce canal (pièges). Le dispositif doit premièrement être rempli avec le milieu de culture. Il est ensuite opéré en circulant les échantillons dans le canal principal pour les piéger avec un mécanisme donné. Une fois les échantillons piégés, le milieu est soit perfusé ou changé à intervalles réguliers pour les maintenir en vie, le temps d'effectuer les tests biologiques. Enfin, les échantillons sont analysés et éjectés du dispositif en le démantelant ou en appliquant un débit assez élevé. Le fonctionnement des PMÉ circonscrit les effets physiques à étudier dans ce projet, soit : (1) la dynamique de remplissage des PMÉ et d'une sous-classe nommée PMÉ à gouttelettes et (2) l'opération des PMÉ; incluant la dynamique de piégeage, le temps pour l'échange du milieu de culture et l'éjection contrôlée des échantillons.

Abstract

Since the boom of the field of microfluidics, microfluidic devices of all kinds have been analyzed, designed and fabricated in many fields of application. This project focuses on the biomedical application, specifically the usage of microfluidic devices in cancer research. Oncology would benefit from these devices as they would enable using less samples to arrive to the same conclusions as current more expensive and cumbersome clinical processes that have questionable biological relevance (in the case of Petri dish medication assays). These devices are used to synthesize cancer spheroids or to trap 3D tissue model samples with the aim to expose them to medication and other treatments, and to follow the tissue's viability, thus the treatment's efficacy. The devices could one day integrate all steps of evaluating treatment dosage to accelerate and personalize oncology treatments and increase cancer survivability rates. In the literature, a class of microfluidic device that is widely reported on and that exists in various designs is highlighted and named in this research project: “Microfluidic Sample Trap”. These devices enable simultaneous trapping of tissues or synthesis of spheroids, cultivating them, exposing them to treatments, analyzing them with various imaging techniques and concluding on the efficacy of the treatments. However, there still lacks a broad and systematic framework analyzing how this class of device works and how it can be optimally designed. This project's objective is to establish a rigorous framework of optimal microfluidic sample trap (MST) design and operation. A broad parametric analysis of existing MSTs is done from their typical geometry and operation. The geometry of MSTs can be reduced to a main channel and one or many cubic extrusions from this channel (sample traps). The device must be first filled with culture medium. Then, it is operated by circulating samples in the main channel to be trapped with a certain trapping mechanism (inertial confinement, resistive, electrophoretic or sedimentation trapping). Once the samples are trapped, the medium is either perfused or changed periodically to maintain sample viability during biological assays. Finally, samples are analyzed and ejected from the device by either dismantling it or imposing a high enough flowrate. The way MSTs work circumscribes the pertinent physical effects to be studied in this work: (1) the filling dynamics of MSTs and a subclass named droplet MSTs and (2) the operation of MSTs; including trapping dynamics, medium renewal frequency and controlled sample ejection.