Design and fabrication of silver microelectrodes for biomedical applications

Abstract

O cancro é uma das maiores causas de mortalidade e morbilidade em países desenvolvidos em todo o mundo. É geralmente precedido por alterações pré-cancerígenas e a sua deteção precoce, especialmente numa fase de displasia, é um dos grandes objetivos da medicina moderna, visto que as probabilidades de tratamento aumentam consideravelmente nesta fase. Estudos in-vitro demonstraram que alterações no pH a nível do ambiente intra- e extracelular podem estar correlacionadas com a proliferação de células tumorais em diferentes estados. Contudo, medições in-situ das propriedades eletroquímicas das células podem ser desafiantes e requerer equipamento complexo ou dispendioso. A ambição desta tese consiste no desenvolvimento de ferramentas inovadoras para o diagnóstico celular in-vitro e in-situ, com base em elétrodos micrométricos “solid-state” com capacidade de leitura de pH. Este sistema deverá, preferencialmente, ser compatível e permitir a integração de componentes “lab-on-chip” subsequentes, maioritariamente de processos óticos para posterior análise química e biológica. O protótipo proposto consiste numa matriz de 9600 microelétrodos “solid-state” com pontas nanométricas. O processo de fabricação consiste na padronização de um molde negativo para as pontas individuais de cada microelétrodo, seguido de um aumento na altura do perfil (para um maior “aspect-ratio” e capacidade de penetração) através da adição de um Photoresist, preenchimento do molde com Prata através de um processo inovador de Eletrodeposição “Through-Silicon”, e finalmente a transferência do perfil para um substrato de vidro com compatibilidade com processos óticos. Os resultados finais demonstram a prova de conceito da viabilidade do processo e dos múltiplos desenvolvimentos em engenharia de processos, apesar de estudos e otimizações subsequentes serem necessárias em diversas áreas do projeto de forma a melhor compreender os princípios e mecânicas por detrás de alguns aspetos dos processos inovadores.

Cancer is one of the major causes of mortality and morbidity in developed countries worldwide. It is usually preceded by precancerous changes and its early detection, especially at the dysplasia stage, is one of the major goals in modern medicine, as the chances of a successful treatment are increased at this stage. In-vitro studies have demonstrated that pH changes in both the intracellular and extracellular environment of a tissue can be correlated with tumor cell proliferation at different stages. However, in-situ measurements of the electrochemical properties of cells can be challenging and require complex or costly equipment. In this thesis, the ambition is to develop a novel tool for in-vitro and in-situ cell diagnosis, based on solid-state micrometric electrodes with pH sensing capabilities. This system should, optimally, be compatible and allow integration with subsequent lab-on-chip components, mainly optical processes for further biological and chemical analysis. The proposed prototype consists in an array of 9600 solid-state microelectrodes with nanometric tips. The fabrication process includes the patterning of a negative mold for the individual microelectrode tips, followed by an increase in height (for higher aspect-ratio and deeper penetration capability) through the addition of a Photoresist, filling of the mold with Silver through a novel Through-Silicon Electrodeposition process, and finally transferring the pattern to a Glass substrate with optical processing compatibility. The end results demonstrates a proof-of-concept of the process feasibility and the multiple achievements in process engineering, although further studies and optimization are required in different areas of the project as to better understand the mechanics and principles behind some of the novel aspects of the processes.