Advanced

On microchannel acoustophoresis - Experimental considerations and life science applications

Augustsson, Per LU (2011)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling handlar om akustofores, dvs. om hur ultraljud kan användas för separation av celler och mikroskopiska partiklar i en ytterst smal flödeskanal. Separationen kan handla om att man vill separera en typ av celler från en annan, som till exempel när man letar efter s.k. cirkulerande tumörceller i blodprover från cancerpatienter. I ett annat fall så vill man automatisera hanteringen av prover i ett antikroppslaboratorium där man utvecklar framtidens mediciner.



Separationskanalerna tillverkas genom att man etsar in ett nätverk av kanaler i en skiva av kisel. Man försluter kanalen med en glasskiva och borrar hål för inlopp och utlopp av vätskor. På utsidan av chipet... (More)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling handlar om akustofores, dvs. om hur ultraljud kan användas för separation av celler och mikroskopiska partiklar i en ytterst smal flödeskanal. Separationen kan handla om att man vill separera en typ av celler från en annan, som till exempel när man letar efter s.k. cirkulerande tumörceller i blodprover från cancerpatienter. I ett annat fall så vill man automatisera hanteringen av prover i ett antikroppslaboratorium där man utvecklar framtidens mediciner.



Separationskanalerna tillverkas genom att man etsar in ett nätverk av kanaler i en skiva av kisel. Man försluter kanalen med en glasskiva och borrar hål för inlopp och utlopp av vätskor. På utsidan av chipet fäster man ett ljudalstrande s.k. piezokeramiskt element som kan vibrera med över 1 miljon svängningar per sekund. Vibrationerna sprider sig snabbt i chipet och det uppstår akustiska resonanser inuti flödeskanalerna, eftersom ljudet studsar fram och tillbaks mellan kanalväggarna. När celler eller mikropartiklar passerar kanalen exponeras de för ljudet och en akustisk kraft trycker dem in mot kanalens mittfåra. Eftersom rörelsen in mot mitten är olika snabb för olika typer av celler eller partiklar så kan man utnyttja de akustiska krafterna för att separera partiklar från varandra. I slutet av kanalen grenas flödet av i tre eller fler utlopp och de celler eller partiklar som rört sig snabbast in mot mitten kommer att hamna i det centrala utloppet medan de akustiskt sett långsamma kommer att passera ut genom något av de två sidoutloppen.



Som nämnts ovan har vi i ett av projekten tagit oss an uppgiften att leta efter cirkulerande tumörceller i blodprover. En cirkulerande tumörcell är, som namnet antyder, en cell från en cancertumör som på något sätt har hamnat i blodcirkulationen. Man är tämligen säker på att dessa celler är involverade i uppkomsten av metastaser hos cancersjuka, men man förstår ännu inte i detalj hur det går till. Vad som är säkert är, att ur blodprover från cancerpatienter har man lyckats isolera celler av samma typ som finns i tumören. Det finns dock ännu ingen teknik som har visat sig tillräckligt effektiv för att man skall kunna vara säker på att isolera alla tumörceller i ett provrör. Vi har designat ett akustoforeschip som i modellexperiment har visat sig kunna separera cancerceller från blodceller. Dock återstår ännu en hel del arbete innan vi kan testa chipet på blodprover donerade från cancerpatienter. Om denna eller någon annan teknik visar sig effektiv kommer man i framtiden kunna individualisera och övervaka behandlingen av cancerpatienter bättre. Det har även spekulerats i att man kommer att kunna spåra cancer i ett tidigt skede endast genom att analysera ett blodprov. Noteras bör att det sistnämnda bygger på ett antagande om att det finns cirkulerande tumörceller i ett tidigt skede av sjukdomsutvecklingen, något som ingen i nuläget vet.



I ett annat projekt har vi använt akustofores för att automatisera sökandet efter antikroppar ur antikroppsbibliotek. Antikroppar är stora molekyler som finns naturligt i blodet som en del av immunförsvaret. När ett främmande föremål kommer in i blodet, t.ex. en viruspartikel, kommer antikroppar att fastna på ytan av föremålet och signalera till de vita blodkropparna att de ska äta upp viruspartikeln. Antikroppen kan bara fastna på mycket specifika platser på virusytan s.k. antigen, och det är den selektiva egenskapen som gör att man inom immunteknologin är intresserad av att använda antikroppar för att utveckla nya läkemedel. Genom att extrahera en uppsättning naturliga antikroppar från blodet hos ett djur och modifiera dem på biokemisk väg kan man skapa enormt variationsrika samlingar, så kallade antikroppsbibliotek, av syntetiska antikroppar som man kan använda för att utveckla nya läkemedel och behandlingsmetoder. Processen att ur denna stora samling antikroppar isolera en enskild antikroppsvariant som passar bäst för att fastna på en viss utvald antigen är mycket arbetsintensiv och innefattar många manuella moment. En vanlig metod är att man fäster antigenet, till vilken man vill hitta en antikropp, på ytan av mikrometerstora kulor. Kulorna blandas i ett provrör med antikroppsbiblioteket och antikropparna som passar specifikt till antigenet kommer att fastna på kulan medan andra antikroppar blir kvar i vätskan. Kulorna centrifugeras ner till botten av provröret och vätskan sugs bort och ersätts med ren vätska. På så sätt har man ur det enorma antikroppsbiblioteket lyckats isolera en uppsättning antikroppar som binder till just det antigen man utforskar. För att underlätta och automatisera processen att isolera antikroppar utvecklade vi ett akustoforeschip där mikropartiklar med antikroppar bundna till ytan kan separeras från ett antikroppsbibliotek genom att den akustiska kraften flyttar partiklarna i sidled då de passerar mikrokanalen. Sidledsförflyttningen innebär att partiklarna flyttar sig från den ursprungliga vätskan, in i ett parallellt flöde av ren vätska. I slutet av kanalen förgrenas flödena och partiklarna med selekterade antikroppar samlas upp i ett provrör.



För att bättre kunna förstå fysiken bakom akustofores startades ett samarbete med DTU i Köpenhamn. Vi har gemensamt utvecklat en metod för att karaktärisera den akustiska resonansen i en akustoforeskanal. Detta görs genom att analysera rörelsemönstret hos mikropartiklar som exponeras för ett akustiskt fält. Vi har bland annat studerat den akustiska resonansens utbredning längs kanalen, frekvensberoendet och temperaturberoendet. En av de viktigaste upptäckterna var just hur otroligt temperaturkänsliga de akustiska resonansmönstren är vilket har stor betydelse för systemets reproducerbarhet och precision, något som vi hade direkt nytta av i projektet med cirkulerande tumörceller. (Less)
Abstract
This thesis presents experimental studies of microchannel acoustophoresis, a technique for manipulation of microscopic objects in suspension by means of acoustic radiation forces induced by ultrasonic standing wave fields. By arranging an acoustic resonance across the width of a microchannel, the path of individual cells or microparticles can be deflected orthogonally to the fluid flow.



The propagation of acoustic waves in a microchip is discussed and a theory for the acoustic eigenmodes within the fluid filled channel is presented. With the intention to derive the trajectories of particles, expressions are recapitulated for the acoustic radiation force exerted on a particle in an acoustic field, the induced acoustic... (More)
This thesis presents experimental studies of microchannel acoustophoresis, a technique for manipulation of microscopic objects in suspension by means of acoustic radiation forces induced by ultrasonic standing wave fields. By arranging an acoustic resonance across the width of a microchannel, the path of individual cells or microparticles can be deflected orthogonally to the fluid flow.



The propagation of acoustic waves in a microchip is discussed and a theory for the acoustic eigenmodes within the fluid filled channel is presented. With the intention to derive the trajectories of particles, expressions are recapitulated for the acoustic radiation force exerted on a particle in an acoustic field, the induced acoustic streaming in the fluid, and for the microchannel flow velocity profile. The introduced transport phenomena are thereafter used for evaluation of merits and limitations in microchannel acoustophoresis separating systems.



In five studies, microchannel acoustophoresis has been adapted for applications in life science. Three of these relate to sample preparation through transfer of cells and microparticles from one suspending fluid to another, for bead based bio-affinity assays, or cell suspension conditioning. A fourth study addresses on-chip elution of surface bound molecules from cells and microparticles. In study five, a system is described for pre-alignment and subsequent separation of cancer cells from blood cells based on their intrinsic acoustic and morphological properties.



In study six, a method is presented for measurement of the acoustophoretic velocity field of microparticles. This was done to test the extent to which the resonances in an acoustophoresis microchannel are well described by the current model. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Associate Professor Voldman, Joel, Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
microtechnology, microfluidics, lab on a chip, separation, acoustophoresis, ultrasound, acoustic resonance, acoustic radiation force, phage display, circulating tumour cells, acoustofluidics
pages
72 pages
defense location
Room E:1406, E-building, Ole Römers väg 3, Lund University, Faculty of Engineering
defense date
2011-12-02 10:15
external identifiers
  • Other:ISRN LUTEDX/TEEM -- 1085 -- SE, Report 2/11
ISSN
0346-6221
ISBN
978-91-7473-202-3
language
English
LU publication?
yes
id
9f1d6dfe-67ae-4b22-9fb7-45821fd3e068 (old id 2203054)
date added to LUP
2011-11-16 16:10:10
date last changed
2016-09-19 08:45:01
@misc{9f1d6dfe-67ae-4b22-9fb7-45821fd3e068,
  abstract     = {This thesis presents experimental studies of microchannel acoustophoresis, a technique for manipulation of microscopic objects in suspension by means of acoustic radiation forces induced by ultrasonic standing wave fields. By arranging an acoustic resonance across the width of a microchannel, the path of individual cells or microparticles can be deflected orthogonally to the fluid flow. <br/><br>
<br/><br>
The propagation of acoustic waves in a microchip is discussed and a theory for the acoustic eigenmodes within the fluid filled channel is presented. With the intention to derive the trajectories of particles, expressions are recapitulated for the acoustic radiation force exerted on a particle in an acoustic field, the induced acoustic streaming in the fluid, and for the microchannel flow velocity profile. The introduced transport phenomena are thereafter used for evaluation of merits and limitations in microchannel acoustophoresis separating systems.<br/><br>
<br/><br>
In five studies, microchannel acoustophoresis has been adapted for applications in life science. Three of these relate to sample preparation through transfer of cells and microparticles from one suspending fluid to another, for bead based bio-affinity assays, or cell suspension conditioning. A fourth study addresses on-chip elution of surface bound molecules from cells and microparticles. In study five, a system is described for pre-alignment and subsequent separation of cancer cells from blood cells based on their intrinsic acoustic and morphological properties.<br/><br>
<br/><br>
In study six, a method is presented for measurement of the acoustophoretic velocity field of microparticles. This was done to test the extent to which the resonances in an acoustophoresis microchannel are well described by the current model.},
  author       = {Augustsson, Per},
  isbn         = {978-91-7473-202-3},
  issn         = {0346-6221},
  keyword      = {microtechnology,microfluidics,lab on a chip,separation,acoustophoresis,ultrasound,acoustic resonance,acoustic radiation force,phage display,circulating tumour cells,acoustofluidics},
  language     = {eng},
  pages        = {72},
  title        = {On microchannel acoustophoresis - Experimental considerations and life science applications},
  year         = {2011},
}