Intracellular Silicon chips

Abstract

Los chips de silicio intracelulares se definen como dispositivos fabricados a partir de las microy nanotecnologías basadas en el silicio y son lo suficientemente pequeños para poder ser introducidos dentro de células vivas, y que podrían ser usados para futuras aplicaciones en ciencias de la vida. Esta tesis se centra en el desarrollo de cuatro desafíos como pruebas de concepto: desde el desarrollo de chips pasivos (micropartículas y códigos de barras) hasta chips como sensores (bioquímicos y de presión). Todos estos prototipos presentan diferentes formas, tamaños y materiales. La optimización de procesos dentro de las micro- y nanotecnologías basadas en el silicio y con técnicas fotolitográficas, permiten la obtención de dispositivos con dimensiones laterales dentro de la micro- y nanoescala, que se internalizan fácilmente en células ya sea para análisis de una única célula o de una población de células. Este trabajo plantea objetivos específicos en los que se describe el diseño, el desarrollo tecnológico, la caracterización y validación biológica de diferentes chips intracelulares. Los primeros dispositivos reportados son chips intracelulares preliminares, y chips como códigos de barras para el marcaje y seguimiento intracelular, siendo dispositivos pasivos, donde se describe su diseño, su desarrollo tecnológico, su caracterización y su validación biológica. Las capacidades tecnológicas de la microfabricación permite la definición de patrones de diseño para obtener un código de barras para aplicaciones a nivel intracelular. Por otra parte, el concepto de funcionalización química se aplica a nuestros chips intracelulares, lo que permite una nueva línea de investigación para reconocimiento bioquímico intracelular. Por último, se consigue diseñar, desarrollar, caracterizar y validar chips intracelulares más funcionales y con mayor número de aplicaciones. Estos chips se diseñan como chips para medidas de presión intracelular dentro de una sola célula, basado en un sistema de medida OptoMecánico. Resumiendo, las amplias capacidades de los chips de silicio intracelulares presentados en el presente trabajo involucran un amplio número de aplicaciones para biología celular, tales como el etiquetado, rastreo celular, y un sofisticado sistema de medida intracelular, tanto químico como físico.

Intracellular silicon chips are defined as devices small enough to be internalized inside single living cells for future applications in life science, where silicon based micro- and nanotechnologies have been used to achieve this purpose. This thesis is focused in the development of four different challenges, from passive chips (microparticles and barcodes) to biochemical and pressure sensors, as a proof of concept. All these prototypes present different shapes, sizes, and materials. Standard photolithographic and silicon-based technologies, which allow the obtaining of devices with lateral dimensions within the micro- and nanoscale to be internalized easily by the cell for single studies or ever by the study of each single cell in a population of cells. This work addresses specific objectives where the design, technological development, characterization and biological validation as intracellular chips inside living cells are described. The first demonstrators show dummy intracellular chips and intracellular barcodes for single cell labeling and tracking, as passive devices, where the design, technological development, characterization and biological validation are described. Technological capabilities of the definition of patterned chips are applied to obtain the intracellular barcodes code design. Furthermore, the chemical functionalization concept is applied to our intracellular devices, enabling a new line of applications for intracellular biochemical recognition. Finally, and going one step forward, and with the main objective of achieving even more functional intracellular chips, the design, technological development, characterization and validation of an intracellular pressure sensor inside a single cell is described. Being this device the first silicon-based NanoOptoMechanical System (NOMS) inside a living cell. Summarizing, the extensive capabilities of the presented intracellular silicon chips imply a broad number of applications in cell biology, such as cell labeling and tracking, and sophisticated intracellular cell sensing.