Highly Multiplexable Open-Space Microfluidics

La manipulation de liquide est le fondement de toute recherche en sciences de la vie. Malgré son importance, la majorité de la manipulation de liquide est toujours basée sur le pipetage de fluides, une méthode datant de plus d'un siècle. La vague d'automatisation massive qui a débuté dans les années 70 a grandement augmenté le débit de tests pouvant être effectués. Cependant, à mesure que le débit de tests requis augmente et que les volumes des tests diminuent, le pipetage de fluides devient de plus en plus problématique. L'importance relative des forces en jeu change lorsque l'échelle du système diminue. La viscosité et la tension de surface deviennent importantes, ce qui entraine une augmentation des imprécisions des fluides pipetés. Une méthode pour se sortir de cette « tyrannie du pipetage » est d'utiliser des puces microfluidique, qui sont conçues pour manipuler des fluides à l'échelle submillimétrique dans des réseaux de microcanaux afin de réaliser diverses tâches expérimentales. Les systèmes microfluidiques se libèrent du paradigme des plaques de puits. En effets, ils sont plutôt basés sur des circuits fluidiques dans lesquels les expériences prennent place. Procéder à des expériences dans des systèmes microfluidiques vient cependant avec son lot de difficultés et de défis. Une grande partie des échantillons en sciences de la vie sont des surfaces ouvertes, que ce soit des cultures 2D en Pétri, des tranches de tissu ou des puces à protéines. Injecter des échantillons dans des systèmes microfluidiques nécessite des modifications majeures aux protocoles habituels. De plus, certains échantillons sont incompatibles avec les systèmes microfluidiques, par exemple certains types de cellules particulièrement sensibles aux contraintes de cisaillement. Le champ de recherche de la microfluidique sur surface ouverte s'attaque à ces problématiques. La microfluidique sur surface ouverte englobe une multitude de systèmes conçus afin d'interagir avec des surfaces. L'idée générale derrière ces systèmes est de permettre le dépôt localisé de fluides sur des surfaces, et donc de ne pas nécessiter l'insertion des échantillons dans le système. Les systèmes de microfluidique ouverte tels que les sondes microfluidiques, qui sont l'inspiration principale derrière ce projet de recherche, ont déjà démontré leur potentiel en traitement de surface. Ils ont notamment été utilisés pour le marquage immunohistochimique localisé et la lyse cellulaire sélective. Cependant, alors que les dispositifs de microfluidique sur surface ouverte permettent habituellement le contrôle extrêmement précis de fluides sur une surface, il n'y a pour l'instant aucune manière viable de paralléliser ces dispositifs. Cela nuit largement à leur adoption puisqu'ils ne peuvent pas être utilisés pour des expériences nécessitant un grand débit de test. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et l'évaluation d'une nouvelle génération de systèmes microfluidiques sur surface ouverte qui peuvent être parallélisés et reconfigurés. Ces nouveaux dispositifs, les multipôles microfluidiques, fonctionnent en utilisant les mêmes principes que les sondes microfluidiques. Cependant, leur parallélisation permet d'augmenter le nombre de tests pouvant être effectués, et leur reconfiguration permet de les utiliser afin d'automatiser des expériences multi-étapes. Dans cette thèse, une méthode de fabrication de multipôles microfluidiques compatible avec des systèmes de toute taille est présentée. Cette méthode couvre la totalité du procédé de fabrication, de la conception des dessins vectoriels à l'aide de scripts jusqu'à l'assemblage des systèmes. Les résultats démontrent qu'il est possible de produire des multipôles microfluidiques formés de plus de 300 ouvertures, avec une taille d'ouverture de 160 µm. Les résultats d'expérience démontrent que les multipôles fabriqués ne comportent pas de défauts et de déformations affectant significativement les motifs d'écoulement des fluides. Dans une deuxième section de cette thèse, la manière la plus efficace afin de multiplexer et de reconfigurer des multipôles microfluidiques formés d'un petit nombre d'ouvertures est investiguée. Plusieurs architectures et concepts de multipôles sont étudiés et testés. Le grand potentiel de reconfigurabilité des multipôles est démontré, et un stroboscope chimique permettant le contrôle d'impulsion d'un réactif sur une surface est testé. Cette section de mon projet de recherche culmine avec l'automatisation d'un test immunologique à l'aide d'un multipôle microfluidique. La dernière section de cette thèse porte sur l'élaboration d'un multipôle microfluidique hautement parallèle. La pièce centrale afin d'atteindre cet objectif consiste en l'élaboration d'une unité multipolaire modulaire, les pixels microfluidiques, pouvant paver une surface avec des zones de confinement indépendantes. Le résultat est l'afficheur chimique pixélisé, un sous-type de multipôle microfluidique. Ce type de système peut théoriquement être étendu à n'importe quel nombre de pixels, et des systèmes formés de 144 pixels ont été testés expérimentalement. Les afficheurs chimiques pixélisés, comme les autres multipôles, peuvent être reconfigurés afin de générer des séquences « d'images chimiques », ce qui permet l'automatisation d'expériences multiétapes. Les afficheurs chimiques ont la particularité de pouvoir être utilisés sur des surfaces immergées ou sèches, ce qui est habituellement impossible pour un multipôle microfluidique. Afin de démontrer cette possibilité, le traitement de surface de film plastique est effectué avec un afficheur chimique intégré dans un système « roll-to-roll ». Cette section de ma thèse se termine par une démonstration d'un afficheur chimique étant opéré uniquement par deux pompes à pression. De manière générale, cette thèse a pour objectif de présenter une nouvelle approche de la microfluidique sur surface ouverte. Les multipôles microfluidiques présentés dans cette thèse sont les premiers dispositifs du genre étant reconfigurables, ainsi que les premiers permettant l'automatisation d'expériences multi-étapes. Les afficheurs chimiques pixélisés permettent une parallélisation qui est sans précédent en microfluidique sur surface ouverte.

Abstract

Liquid handling is at the forefront of life science research. Despite its importance, it has been based on the same principle, the pipetting of fluids in wells, for over a century. The massive automation boom starting from the 70' has greatly increased the throughput that can be achieved. However, as the required throughput increased and the wells and reagent volumes are decreased further and further, pipetting fluids become more and more problematic. It is due to fluid viscosity and surface tension becoming more important as the scale of the problem decrease, leading to increased imprecision. A way out of the “tyranny of pipetting” is to use microfluidic devices that are designed to operate with fluid at the microscale. Microfluidic systems break free from the well plate paradigm and are based on fluidic circuits in which the whole experiment usually takes place. However, processing samples in microfluidic systems come with its own challenges and limitation. A lot of standards samples in life science are surfaces, such as cultures in Petri, tissue slices or protein arrays. Moreover, injecting samples in a microfluidic system often require important modification to the experimental protocol. Some biological samples are also incompatible with microsystems, such as certain types of cells that are extremely vulnerable to shear stress. The subfield of open-space microfluidic tries to address those limitations. Open-space microfluidics encompasses many systems that aim at processing and interacting with open surfaces. The general idea behind those systems is to allow the localized deposition of fluids directly on surfaces, and thus not require the insertion of the samples into the systems. Open-space microfluidic systems such as the microfluidics probe, which is the main inspiration being this project, have already demonstrated their potential in surface patterning. They have been successfully used for applications such as immunohistochemical staining and selective cell lysis. However, while the open-space microfluidic systems can precisely confine a fluid in an area, a viable method to parallelize those devices remains virtually inexistent. This greatly limit their adoption since they cannot be used for experiment requiring high throughput. This research project revolves around the design, fabrication, and evaluation of a new generation of open-space microfluidic devices that are parallelizable and reconfigurable. These new devices, the microfluidic multipoles (MFMs), operate on the same principles as the previous microfluidic probe. However, their parallelization allows for an increase in throughput, and flow pattern reconfiguration open the possibility to perform multistep experiments. In this thesis, a fabrication method for MFMs of any size, from a few apertures to several hundreds of apertures is presented. This method covers the whole process, from the script-assisted CAD design to the assembly of multipoles. The results demonstrate the possibility to fabricate MFMs with as many as 313 apertures with a size as small as 160 µm. Experiment have demonstrated that MFMs could be reliably printed without defects and warping that would deform the flow. This fabrication method is, furthermore, simple, inexpensive and versatile. A second section of this thesis investigate the best way to parallelize and reconfigure MFMs that are comprised of a limited number of apertures. Different multipole architectures are proposed and tested. The high reconfiguration potential of MFMs is demonstrated, and a chemical stroboscope allowing the spatiotemporal pulse of chemicals on a surface is presented. This part of my work culminates with the automation of an immunofluorescence assay, which demonstrates the potential use of MFMs to automatize long-term multistep experiments. The last section of my work is an all-out attempt at highly parallel open-space systems. This section revolves around the use of modular MFM units, the microfluidic pixels, to tessellate whole surfaces in independent confinement areas. This results a Pixelated Chemical Display (PCD), a subtype of MFM. This device architecture can theoretically be expanded to any size and was experimentally tested for systems formed of up to 144 pixels. PCDs, just like other MFMs, can be reconfigured to create sequences of “chemical images”. That allows them to be used to automatize multistep experiments. Moreover, they can be made compatible with dry surfaces, which is not expected from an open-space microfluidic system. We demonstrated that capability by patterning dry plastic films in a custom roll-to-roll setup. This section of my thesis end with a demonstration of how to operate large PCDs using only two pressure pumps. Overall, this thesis aims at offering a new way of approaching open-space microfluidics. MFMs presented in this thesis are the first reconfigurable microfluidic multipole, and the first open-space system to be used to automate multistep experiments. Moreover, PCDs presented in this work offer a parallelization potential which is unprecedented in open-space microfluidics.