Label-free size-based rare cell separation by microfluidics
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2019-06-18
Department
Major/Subject
Functional Materials
Mcode
CHEM3025
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
77 + 3
Series
Abstract
Separating and isolating rare cells with cheap methods and rapid prototyping is attractive in analysing DNA in foetal cells circulating in maternal blood with non-invasive methods. Inertial microfluidics as a separation method is based on equilibrium points or trajectories that the particles migrate during flow. In this work, three different separation devices and one with a main purpose is concentration of diluted solutions after separation were investigated. The purpose of the thesis is to gain inertial focusing and particle separation. The chips were fabricated by using soft-lithography process with SU-8 masters for transferring patterns on PDMS. After curing, the chips were cut, punched and treated with oxygen plasma to bond on microscope slides. Flow thru the devices was produced with syringe pumps. Devices were optimized first using de-ionized water, then investigated with different concentrations of polystyrene microparticles and finally with cells to gain preliminary results. Devices were tested within 0.006 ml/min to 10 ml/min range. Non-equilibrium inertial array chip (NISA chip) is based on wall induced inertial lift force and siphoning by geometry induced pressure difference. NISA chip was investigated to separate 8 µm from 10 µm particles. The device had optimization issues with back-flow to feed, particle attachment to islands and low concentration of output samples. Spiral chip is based on net inertial lift forces and Dean secondary flow induced by curvature of the device. The device was investigated with large throughput (above 4.9 ml/min flow rate) to separate 10 µm particles from 15 µm particles. Spiral chip had suboptimal outlet design, which let to large deviation in data. However, the results showed particle focusing during videoing of the flow although with low separation efficiency. Labyrinth chip is likewise based on net inertial forces and Dean secondary flow as well as alternating corner design that induces additional mixing of particles. The chip was investigated with reasonably high throughput (above 1.75 ml/min flow rate) to separate 10 µm particles from 15 µm particles. The device showed inertial focusing both in video results and the particle analysis. Separation was seen in particle analysis. Concentrator chip is based on inertial focusing and siphoning. Chip was investigated to concentrate solution of 10 µm 105 particles/ml tenfold. The device showed effective concentration using optimal flow rate with particles and using slightly slower flow rate with preliminarily cell experiments.Harvinaisten solujen erottelu ja eristäminen edullisilla menetelmillä ja nopealla prototypoinnilla on houkuttelevaa, kun analysoidaan verenkierrossa olevia kasvainsoluja tai DNA:ta sisältäviä sikiönsoluja äidin verestä ei-invasiivisesti. Inertiaalinen mikrofluidistiikka erottelumenetelmänä perustuu erikokoisten solujen taipumukseen asettua eri tasapainopisteisiin tai lentoradoille virtauksessa. Tässä työssä kolme erottelulaitetta sekä yksi solujen konsentrointiin erottelun jälkeen tähtäävä laite tutkittiin, jotta selvitettäisiin laitteiden kyky fokusoida ja erotella partikeleita. Sirut valmistettiin pehmyt-litografialla, jossa SU-8 mastereilla siirrettiin mikrofluidistiset kanavat PDMS:ään. Kovettumisen jälkeen sirut leikattiin, rei’itettiin, käytettiin happiplasmassa ja bondattiin mikroskooppilaseihin. Virtauskokeissa käytettiin ruiskupumppua. Laitteet tutkittiin ja optimoitiin alustavasti ensin deionisoidulla vedellä ja sitten erilaisilla polystyreeni mikropartikkeli liuoksilla ja lopuksi vielä alustavilla solukokeilla. Laitteet tutkittiin virtausnopeusvälillä 0.006 ml/min - 10 ml/min. Inertiaaliarray siru (NISA siru) perustuu kanavan saarien seinien aiheuttamaan inertiaalivoimaan ja lappoon, joka syntyy geometriasta johtuvista paine-eroista. Laite tutkittiin tarkoituksena erottaa 8 µm partikkelit 10 µm partikkeleista. Laitteen optimointi osoittautui haasteelliseksi johtuen nesteen takaisinvirtauksesta syötteeseen, partikkelien tarttumisesta saariin ja ulostulojen matalasta konsentraatiosta. Spiraali siru perustuu inertiaalivoimiin ja Deanin sekundaari virtauksiin, jotka johtuvat kanavan kaareutuvuudesta, sekä kanavan pylväiden virtausta supistavaan vaikutukseen. Laite tutkittiin korkeilla virtausnopeuksilla tarkoituksena erottaa 10 µm partikkelit 15 µm partikkeleista. Spiraali sirun ulostulon design aiheutti korkeaa hajontaa partikkelianalyysissa. Toisaalta, laitteen virtauksen videotuloksissa ja partikkelianalyysissa on nähtävissä selkeä inertiaalifokusointi. Labyrintti siru perustuu myös inertiaalivoimiin ja Deanin sekundaari virtoihin sekä laitteen designissa olevien kulmien partikkeleita sekoittavaan vaikutukseen. Laite tutkittiin korkeahkoilla virtausnopeuksilla keskittyen 10 µm ja 15 µm partikkelien erotteluun. Laitteen virtauksen videotuloksissa ja partikkelianalyysissa on selkeä fokusointi. Lisäksi erottelua oli havaittavissa partikkelianalyysissa. Konsentraattori siru perustuu inertiaalifokusointiin ja lappoon. Laite tutkittiin tarkoituksena konsentroida 10 µm 105 partikkelia/ml kymmenkertaisesti. Laitteessa oli havaittavissa selkeää konsentroitumista partikkeleilla optimaalisella virtausnopeudella ja alustavissa solukokeissa hieman matalammalla virtausnopeudella.Description
Supervisor
Franssila, SamiThesis advisor
Jokinen, VilleTatikonda, Anand
Keywords
inertial microfluidics, cell separation, label-free, size-based separation