Control and readout electronics for miniaturized temperature sensors integrated with an organ-on-a-chip

Abstract

De acordo com um estudo realizado pelo instituto de biomateriais e engenharia biomédica da Universidade de Toronto nos Estados Unidos da América, 4 em cada 1000 pacientes sofreram de efeitos adversos provocados por fármacos. Este problema surge devido ao facto de o teste de fármacos serem realizados em animais e, posteriormente em humanos. A utilização dos organ-on-a-chip aumentam a eficácia quando se inicia os testes em humanos porque são mais representiativos do que os testes em animais. A tecnologia organ-on-a-chip (OOC) surgiu com o objetivo de ser possível replicar aspetos importantes da fisiologia humana e deste modo poder superar as limitações dos procedimentos tradicionais, aumentando assim a segurança e eficácia de quem os toma. Apesar da tecnologia OOC fornecer uma série de vantagens comparativamente com as técnicas convencionais, esta ainda carece de sistemas para monitorização de multiparâmetros capazes de fornecer informações à microescala durante os testes de cultura de células bem como na testagem de novos fármacos. Neste sentido, torna-se muito importante o desenvolvimento de microssensores integrados em sistemas microfluídicos para monitorizar os diversos parâmetros celulares de modo a perceber que efeitos os fármacos provocam nas células. Parâmetros como temperatura, oxigénio, pH, nível de nutrientes, entre outros, são variáveis de interesse para a perceção global do metabolismo criado pela combinação de fármacos com células de múltiplos órgãos. Assim, o trabalho desenvolvido nesta dissertação tem como objetivo estudar e desenvolver a eletrónica de leitura e atuação de um microssensor de temperatura, baseado em resistance temperature detector (RTD), que será integrado na tecnologia OOC. O sistema desenvolvido para além de fornecer portabilidade e baixo custo, permite realizar leitura de vários microssensores com uma sensibilidade de 15mV/0.1°C. Foi também implementada uma componente gráfica que permite ao utilizador selecionar o sensor e acompanhar os resultados em tempo real.

According to a study conducted by the Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering at the University of Toronto in the United States of America, 4 out of every 1,000 patients suffered from drug-related adverse effects. This problem arises because the drug test mostly performed on animals and, therefore, does not faithfully question the phenomena that occur at the level of the human being. Thus, the use of these drugs can lead to complications for humans as well as damage to the pharmaceutical industry. Organ-on-a-chip (OOC) technology has emerged with the aim of replicating important aspects of human physiology and thus being able to overcome the limitations of traditional procedures, thereby increasing the safety and efficacy of those who take them. Although OOC technology provides several advantages compared to conventional techniques, it still lacks multiparameter monitoring systems capable of providing microscale information during cell culture testing as well as testing for new drugs. In this sense, it is very important to develop microsensors integrated in microfluidic systems to monitor the various cellular parameters in order to understand what effects the drugs have on cells. Parameters such as temperature, oxygen, pH, number of nutrients, among others, are variables of interest for the overall perception of metabolism created by the combination of drugs with multiple organ cells. Thus, the work developed this dissertation aims to study and develop the electronic reading and actuation of a micro temperature sensor, based on resistance temperature detector (RTD), which will be integrated into OOC technology. The system developed in addition to providing portability and low cost, allows to perform reading of several micro sensors with a sensitivity of 15mV/0.1°C. A graphical component has also been implemented that allows the user to select the sensor and track the results in real time.