Advanced

Development of microelectrodes for electrical measurements in a microfluidic system

Thomée, Emma LU (2017) BMEM01 20172
Department of Biomedical Engineering
Abstract
Transendothelial electrical resistance (TEER) measurements are used to quantitatively monitor cell barrier formation in in vitro models of the blood-brain barrier. TEER measurements in microfluidic in vitro systems are technically problematic and have suffered from poor measurement reproducibility.
The aim of this Master’s thesis project was to develop fully integrated electrodes for measuring TEER in a microfluidic blood-brain barrier model. Two patterns of thin film electrodes – one with electrodes placed in the microfluidic channels, and one with electrodes directly above and below the cell culture membrane – were designed, fabricated and embedded in the microfluidic system. Electrodes were fabricated in silver and in platinum, and... (More)
Transendothelial electrical resistance (TEER) measurements are used to quantitatively monitor cell barrier formation in in vitro models of the blood-brain barrier. TEER measurements in microfluidic in vitro systems are technically problematic and have suffered from poor measurement reproducibility.
The aim of this Master’s thesis project was to develop fully integrated electrodes for measuring TEER in a microfluidic blood-brain barrier model. Two patterns of thin film electrodes – one with electrodes placed in the microfluidic channels, and one with electrodes directly above and below the cell culture membrane – were designed, fabricated and embedded in the microfluidic system. Electrodes were fabricated in silver and in platinum, and their reproducibility was evaluated using impedance spectroscopy.
Results showed that electrodes fabricated in platinum and placed directly over the membrane could measure impedance with the highest precision. Measurement variation from the electrodes placed in the channels was shown to effectively be reduced by employing a technique of combining six measurements from four electrodes. Based on the reproducibility studies presented in this report, both types of electrodes were believed to have sufficient sensitivity and robustness to be used for TEER measurements.
A robust technique to measure TEER enables real-time monitoring of cells in microfluidic systems, and offers a quantitative validation parameter for easy comparison and benchmarking of different system. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Sensorer för elektriska mätningar i mikrofluida system

Behandling av neurodegenerativa sjukdomar, så som Alzheimers och Parkinsons, är en av vår tids största utmaningar. Med en växande åldrade befolkning förväntas antalet patienter öka, och att hitta effektiva behandlingsmetoder blir alltmer brådskande. Den stora utmaningen ligger i att få läkemedel att nå centrala nervsystemet. På grund av blod-hjärnbarriärer har hjärnan en effektivt skyddande barriär som hindrar substanser från att ta sig in i hjärnan. Inom läkemedelsindustrin läggs enorma resurser på forskning kring hur läkemedel på ett säkert och effektiv sätt ska kunna passera blod-hjärnbarriären. Mycket av denna forskning bedrivs med djurmodeller. Förutom att djurmodeller är... (More)
Sensorer för elektriska mätningar i mikrofluida system

Behandling av neurodegenerativa sjukdomar, så som Alzheimers och Parkinsons, är en av vår tids största utmaningar. Med en växande åldrade befolkning förväntas antalet patienter öka, och att hitta effektiva behandlingsmetoder blir alltmer brådskande. Den stora utmaningen ligger i att få läkemedel att nå centrala nervsystemet. På grund av blod-hjärnbarriärer har hjärnan en effektivt skyddande barriär som hindrar substanser från att ta sig in i hjärnan. Inom läkemedelsindustrin läggs enorma resurser på forskning kring hur läkemedel på ett säkert och effektiv sätt ska kunna passera blod-hjärnbarriären. Mycket av denna forskning bedrivs med djurmodeller. Förutom att djurmodeller är etiskt omtvistade, är de kostsamma, arbetsintensiva och på många sätt olika från människokroppen. För att minska användningen av djurmodeller behövs alternativa modeller, där blod-hjärnbarriären kan studeras in vitro.
Det senaste årtiondet har en ny klass av in vitro-modeller framträtt, organs-on-chips. Organs-on-chips är mikrofluida system där levande celler kan odlas på ett chip. Dessa modeller har påvisat flera fördelar jämfört med tidigare in vitro-modeller. Genom att utsätta cellkulturen för fluidflöde, kan de bättre efterlikna miljön av blodflöde. I dessa system kan även elektriska sensorer integreras för att studera cellkulturen i realtid. Sensorer kan integreras i en modell av blod-hjärnbarriärer för att mäta den elektriska resistansen över cellbarriären. Dessa mätningar utgör en kvantitativ parameter för hur effektiv barriär cellerna utgör. Mätningarna är dock tekniskt utmanande. På grund av mikrosystemens små dimensioner har de en hög inre resistans som kan vara flera gånger större än resistansen över cellbarriären. Små variationer och mätfel kan därför skapa relativt stor osäkerhet kring resistansen som utgörs av cellbarriären.

I detta projekt utvecklades mikrosensorer för resistansmätningar i en modell av blod-hjärnbarriären. Elektrodernas geometri, placering, och material utvärderades med impedans-mätningar för att minimera mätvariation och skapa ett stabilt system. Med de sensorer som presenteras här, kan resistans mätas med god precision. Resistansmätningar av hög kvalitet kan utgöra en parameter för validering, vilket potentiellt kan accelerera utvecklingen av organs-on-chips. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Thomée, Emma LU
supervisor
organization
course
BMEM01 20172
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
additional info
2017-19
id
8926804
date added to LUP
2017-10-06 13:47:24
date last changed
2017-10-06 13:47:24
@misc{8926804,
  abstract     = {Transendothelial electrical resistance (TEER) measurements are used to quantitatively monitor cell barrier formation in in vitro models of the blood-brain barrier. TEER measurements in microfluidic in vitro systems are technically problematic and have suffered from poor measurement reproducibility. 
The aim of this Master’s thesis project was to develop fully integrated electrodes for measuring TEER in a microfluidic blood-brain barrier model. Two patterns of thin film electrodes – one with electrodes placed in the microfluidic channels, and one with electrodes directly above and below the cell culture membrane – were designed, fabricated and embedded in the microfluidic system. Electrodes were fabricated in silver and in platinum, and their reproducibility was evaluated using impedance spectroscopy.
Results showed that electrodes fabricated in platinum and placed directly over the membrane could measure impedance with the highest precision. Measurement variation from the electrodes placed in the channels was shown to effectively be reduced by employing a technique of combining six measurements from four electrodes. Based on the reproducibility studies presented in this report, both types of electrodes were believed to have sufficient sensitivity and robustness to be used for TEER measurements.
A robust technique to measure TEER enables real-time monitoring of cells in microfluidic systems, and offers a quantitative validation parameter for easy comparison and benchmarking of different system.},
  author       = {Thomée, Emma},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Development of microelectrodes for electrical measurements in a microfluidic system},
  year         = {2017},
}