Microfluidic multipoles: theory and applications

Microfluidic multipoles (MFMs) have been realized experimentally and hold promise for "open-space" biological and chemical surface processing. Whereas convective flow can readily be predicted using hydraulic-electrical analogies, the design of advanced MFMs is constrained by the lack of simple, accurate models to predict mass transport within them. In this work, we introduce the first exact solutions to mass transport in multipolar microfluidics based on the iterative conformal mapping of 2D advection-diffusion around a simple edge into dipoles and multipolar geometries, revealing a rich landscape of transport modes. The models were validated experimentally with a library of 3D printed MFM devices and found in excellent agreement. Following a theory-guided design approach, we further ideated and fabricated two new classes of spatiotemporally reconfigurable MFM devices that are used for processing surfaces with time-varying reagent streams, and to realize a multistep automated immunoassay. Overall, the results set the foundations for exploring, developing, and applying open-space MFMs.Comment: 16 pages, 5 figure

3D printed microfluidic probes

In this work, we fabricate microfluidic probes (MFPs) in a single step by stereolithographic 3D printing and benchmark their performance with standard MFPs fabricated via glass or silicon micromachining. Two research teams join forces to introduce two independent designs and fabrication protocols, using different equipment. Both strategies adopted are inexpensive and simple (they only require a stereolithography printer) and are highly customizable. Flow characterization is performed by reproducing previously published microfluidic dipolar and microfluidic quadrupolar reagent delivery profiles which are compared to the expected results from numerical simulations and scaling laws. Results show that, for most MFP applications, printer resolution artifacts have negligible impact on probe operation, reagent pattern formation, and cell staining results. Thus, any research group with a moderate resolution (</=100 microm) stereolithography printer will be able to fabricate the MFPs and use them for processing cells, or generating microfluidic concentration gradients. MFP fabrication involved glass and/or silicon micromachining, or polymer micromolding, in every previously published article on the topic. We therefore believe that 3D printed MFPs is poised to democratize this technology. We contribute to initiate this trend by making our CAD files available for the readers to test our "print & probe" approach using their own stereolithographic 3D printers

Pixelated microfluidics for drug screening on tumour spheroids and ex vivo microdissected tumour explants

ABSTRACT: Anticancer drugs have the lowest success rate of approval in drug development programs. Thus, preclinical assays that closely predict the clinical responses to drugs are of utmost importance in both clinical oncology and pharmaceutical research. 3D tumour models preserve the tumoral architecture and are cost- and time-efficient. However, the short-term longevity, limited throughput, and limitations of live imaging of these models have so far driven researchers towards less realistic tumour models such as monolayer cell cultures. Here, we present an open-space microfluidic drug screening platform that enables the formation, culture, and multiplexed delivery of several reagents to various 3D tumour models, namely cancer cell line spheroids and ex vivo primary tumour fragments. Our platform utilizes a microfluidic pixelated chemical display that creates isolated adjacent flow sub-units of reagents, which we refer to as fluidic ‘pixels’, over tumour models in a contact-free fashion. Up to nine different treatment conditions can be tested over 144 samples in a single experiment. We provide a proof-of-concept application by staining fixed and live tumour models with multiple cellular dyes. Furthermore, we demonstrate that the response of the tumour models to biological stimuli can be assessed using the platform. Upscaling the microfluidic platform to larger areas can lead to higher throughputs, and thus will have a significant impact on developing treatments for cancer

Integrated immunovirological profiling validates plasma SARS-CoV-2 RNA as an early predictor of COVID-19 mortality.

peer reviewedDespite advances in COVID-19 management, identifying patients evolving toward death remains challenging. To identify early predictors of mortality within 60 days of symptom onset (DSO), we performed immunovirological assessments on plasma from 279 individuals. On samples collected at DSO11 in a discovery cohort, high severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) viral RNA (vRNA), low receptor binding domain–specific immunoglobulin G and antibody-dependent cellular cytotoxicity, and elevated cytokines and tissue injury markers were strongly associated with mortality, including in patients on mechanical ventilation. A three-variable model of vRNA, with predefined adjustment by age and sex, robustly identified patients with fatal outcome (adjusted hazard ratio for log-transformed vRNA = 3.5). This model remained robust in independent validation and confirmation cohorts. Since plasma vRNA’s predictive accuracy was maintained at earlier time points, its quantitation can help us understand disease heterogeneity and identify patients who may benefit from new therapies

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