• New approaches for discrete and continuum analysis of the mechanical behaviour of cell
  • Nuovi approci all'analisi continua e discreta del comportamento meccanico della cellula
  • Codan, Barbara

Subject

  • Meccanica della cellula
  • Singola cellula
  • Traction force microscopy
  • MEMS
  • Elementi finiti
  • Litografia maskless
  • Laser writer
  • Patterning di proteine
  • NANOTECNOLOGIE
  • ING-IND/22 SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

Description

  • 2007/2008
  • La tesi qui presentata riguarda la meccanica delle cellule. Negli ultimi anni l’interesse della comunità scientifica è stato rivolto a questo aspetto della biologia cellulare, perché, com’è stato dimostrato, all’interno della cellula stimoli meccanici e segnali biochimici sono strettamente correlati, ma ancora non è chiaro il meccanismo che li lega. Le tecniche disponibili si suddividono in due grandi categorie in base al numero di cellule analizzate, ovvero si differenziano in base allo studio su una popolazione cellulare o su singola cellula. Dopo un’attenta analisi delle metodologie disponibili, si è deciso di sviluppare due nuovi metodi. Il primo riguarda la deformazione di un gel poliacrilammidico su cui sono state depositate delle particelle fluorescenti. Questo metodo trae ispirazione dalla deformazione di substrati e dalla traction force microscopy, ovvero dallo studio dello spostamento delle particelle dovuto alla presenza della cellula è possibile ottenere informazioni sulle forze applicate da quest’ultima. Un nuovo dispositivo è stato realizzato ed ha permesso di tirare il gel e quindi deformare una singola cellula e di studiare la risposta alla deformazione. In parallelo a questi studi caratterizzati dall’impiego di un substrato continuo e macroscopico, si è deciso di sviluppare un nuovo dispositivo microelettromeccanico (MEMS), in cui l’aspetto più innovativo è la presenza sullo stesso dispositivo di attuatori, deputati alla deformazione della cellula, e di sensori, che permettono di leggere le componenti della forza esercitata dalla cellula in risposta alla deformazione esercitata con gli attuatori. Per entrambe queste componenti si è scelta la struttura del comb drive. Tale dispositivo è stato progettato seguendo i vincoli costruttivi della tecnologia SOIMUMPs®, che realizza dispositivi MEMS con tecnologia SOI, una delle più adatte allo studio cellulare. Sono state effettuate delle simulazioni agli elementi finiti, in particolare del sensore, in modo da poter valutare la sensibilità, che risulta essere dell’ordine dei µN. Durante la progettazione di questo dispositivo, è sorto il problema del posizionamento della cellula al centro del MEMS. La soluzione arriva dalla localizzazione di spot di proteine, che creano punti di ancoraggio per la cellula. In letteratura sono presenti alcuni lavori sul patterning di proteine, ma nessuno di questi soddisfa i vincoli imposti da un dispositivo tridimensionale quale il MEMS progettato. Un nuovo utilizzo di uno spettroscopio per microraman è stato sviluppato nell’ambito della litografia maskless. Tale tecnica permette di realizzare substrati patternati con risoluzione submicrometrica senza il vincolo di superfici piatte e la presenza di una maschera. Tale tecnica è stata utilizzata per depositare spot di proteine. Sono state testate positivamente la resistenza della fibronectina al processo litografico e la compatibilità di quest’ultima alle cellule dopo il trattamento della litografia. Il risultato finale è stata la realizzazione di spot proteici con geometrie definite dall’utente e dimensioni paragonabili a quelle dei complessi cellulari per l’adesione (focal adhesion).
  • The subject of this thesis is the mechanics of cell. Recent studies demonstrate that mechanical stimuli and biochemical signals are strictly interconnected in the cell, but these phenomena are not completely understood. Different techniques are available to study the mechanics of cell. They differ for the number of cells analyzed, from cells population to single cell techniques. After an exhaustive analysis of these available methods, two new techniques have been developed. The first one is a combination of substrate deformation and the traction force microscopy. By pulling a polyacrylamide gel, it is possible to obtain information about cell forces, looking at the displacement of fluorescent beads deposited on top of the gel. A new device has been devised and realized and the gel pulled. This technique permits to obtain information on the deformation of a single cell. While this project is characterized by a continuous and macroscopic substrate, a new microscopic device has also been developed. A micro electromechanical system (MEMS) is investigated. The most innovative aspect of the device is the introduction, on the same device, of actuators, which provide cell deformation, and sensors, which permit to read the cell response to the deformation. Both sensors and actuators present a comb drive structure. This new device follows the design rules of the SOIMUMPs® technique; this company provides MEMS device with SOI technology, suitable for the application here presented. The sensor and the actuator have been simulated by finite elements analysis, to evaluate the displacement and the sensitivity, that is in the range of µN. During the development of the MEMS, the problem of cell positioning in the center of the device arose. A solution can be found in the protein patterning. Proteins spots are the connection points between the cell and the substrate. Previous investigations present protein patterning methods, but none of them are suitable for the three dimensional structure of the MEMS and non-flat surfaces. Maskless lithography has been implemented with a Raman spectroscopy microprobe. This technique enables one to deposit proteins on three dimensional structures, such as the MEMS here developed. Tests on fibronectin resistance to the lithographic process and its compatibility with cells have been performed. The final result is proteins spots with geometries defined by the operator and dimensions similar to focal adhesion complex.
  • XXI Ciclo
  • 1980

Date

  • 2009-04-30T13:20:40Z
  • 2009-04-30T13:20:40Z
  • 2009-04-08

Type

  • Doctoral Thesis

Format

  • application/pdf

Identifier

http://hdl.handle.net/10077/3099

urn:nbn:it:units-7429