Acoustic Trapping in Biomedical Research

Abstract

Herein a method that uses acoustically resonating glass capillaries and enables non-contact capture of micron-sized bioparticles, i.e. acoustic trapping, is described. A miniaturized ultrasonic transducer is used to locally actuate a cross-sectional resonance in the capillary. A 2000×200 µm2 capillary is typically operated around a resonance frequency of 4-MHz. Optimal design of the transducer for this purpose is investigated in detail, showing that mode-control in the transducer results in a more efficient device, and makes automatic frequency tracking possible. A system design that allows easy assembly and disassembly of the transducer and the capillary also demonstrates how a single-use device can be accomplished.

A breakthrough for the presented acoustic trapping technology is the introduction of seed-particles. These enable trapping of submicron particles that would otherwise be impossible to capture in this kind of system. It is shown how controlled interaction with the larger seed particles can circumvent this limitation. Using this approach capture of 110 nm particles and Escherichia coli bacteria is demonstrated with 95% capture efficiency.

The usefulness of the acoustic trapping device in biomedical research is demonstrated in applications such as; efficient washing of functionalised beads for biomarker detection in blood plasma, dynamic studies of cell-drug interactions, and purification and identification of microbes from infected blood. To enable these applications the acoustic trap an interface to a Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry (MALDI MS) instrument has been devised. This is facilitated by designing the acoustic trap to operate in aspirate/dispense mode (like a pipette) depositing liquids in a microchip for solid phase extraction and subsequent MALDI MS analysis.

Tracking and logging the system resonance frequency provides a new way to measure the amount of captured material as well as continuously adjusting the driving frequency to changes in the infused samples. Apart from providing a new measurement method, continuously adapting the resonance frequency enables samples with a wider range of acoustic properties to be processed. This is demonstrated in an assay for bacteria typing with MALDI MS in blood cultures. Here, acoustic trapping provides a faster and more automatable sample preparation method as compared to the one currently used in the clinical assay.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I naturen finns en närmast oändlig variation av biologiska partiklar i storleksordningen 100 nanometer till 10 mikrometer. Bland dessa kan man bland annat finna; eukaryota celler som genom ordnad samverkan bygger upp flercelliga organismer, prokaryota celler vilka lever som solitära organismer såsom olika bakterier eller jästsvamp, och viruspartiklar vilka likt parasiter specialiserat sig på att få större celler att reproducera deras DNA. De flesta av dessa partiklar lever i vätska och vår förståelse för hur de fungerar och interagerar med varandra är avgörande för hur vi diagnosticerar och behandlar en mängd sjukdomar, men också för hur vi ser på vår omvärld.

På mikro- och nanoskalan bestäms vilken information vi har att tillgå av de tekniska hjälpmedel som finns till hands. En stor utmaning är även att levande organismer hela tiden interagerar med sin omgivning och det är därför viktigt att så gott det går försöka återskapa den miljö som man vill studera dem i.

En relativt ny utveckling inom detta område är att använda sig av avancerade mikrofabrikationsmetoder som återfinns i halvledarindustrin för att i stället göra små mikrosystem för kemisk och biologisk analys. Här används nätverk av tunna vätskekanaler för att transportera och blanda reagens och prover. I många fall ger detta möjligheter till nya och bättre kontrollerade experiment och tillåter att man utför dem på ett snabbt och automatiserat sätt. I denna typ av mikro-laboratorier behövs dock ofta ett sätt att hålla fast och positionera de små biologiska partiklar man vill studera. Denna avhandling beskriver just en sådan metod där man använder ultraljud för att skapa en partikelfälla, som kan samla upp och hålla kvar celler i vätska utan att vidröra dem.

Fundamentalt är en ljudvåg mikroskopiska vibrationer och om vibrationsfrekvensen är ovanför det hörbara området klassificeras den som en ultraljudsvåg. Vid så höga frekvenser blir ljudets våglängd så kort att man kan skapa resonanser i en mikrokanal. Detta fenomen liknar på många sätt hur särskilda toner/frekvenser förstärks i ett musikaliskt instrument beroende på dess dimensioner. I vilket fall tillåter detta att de små vibrationerna förstärks tillräckligt för att man ska kunna påverka olika partiklars position.

Genom att designa ljudfältet så att intensiteten är särskilt hög i en specifik punkt kan en så kallad akustisk partikelfälla åstadkommas. Detta kan man praktiskt åstadkomma genom att använda en liten ljudkälla (i from av ett piezoelektriskt element) för att lokalt driva en resonans i ett litet vätskefyllt glasrör.

Inom ramen för avhandlingen beskrivs metoder för att realisera en akustisk partikelfälla på ett effektivt och enkelt sätt, men även teknisk utveckling som möjliggjort applikationer inom biomedicinteknik. Exempelvis har en ny metod utvecklats för att fånga mindre partiklar än vad som tidigare var möjligt med ultraljud. I samarbete med avdelningen för klinisk mikrobiologi i Lund har denna teknik i sin tur använts för att samla upp och artbestämma bakterier från blodprover. Detta är ett viktigt steg i diagnostisering av blodförgiftning, eller sepsis, som är ett akut tillstånd där man snabbt vill avgöra om och i så fall vilken bakterieinfektion som är orsaken. Här tillåter den akustiska fällan att man på ett snabbt och automatserat sätt gör en nödvändig upprening av bakterierna, en process som annars spiller dyrbar tid och resurser hos de kliniska laboratorierna.

I vilken mån den teknologi som beskrivs här kan komma att användas för att tackla stora samhällsutmaningar såsom spridning av resistenta bakterier eller de i västvärlden dramatiskt ökande vårdkostnaderna får framtiden utvisa. Men det står klart att en fortsatt teknisk utveckling är nödvändig för att hålla jämna steg med de nya utmaningar som mikroorganismerna ställer oss inför.

• author: Hammarström, Björn
• supervisor: Johan Nilsson
• opponent: Assoc Prof Viklund, Martin, Department of Applied Physics, The Royal Institute of Technology (KTH), Sweden
• organization: Department of Biomedical Engineering
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medical Engineering
• keywords: Microfluidics, Ultrasound, Acoustic Trapping, Lab-on-a-Chip, Mass Spectrometry
• pages: 70 pages
• defense location: Lecture hall E:1406, E-building, Ole Römers väg 3, Lund University, Faculty of Engineering
• defense date: 2014-05-23 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-990-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 05e25f85-bed3-4aa7-9954-35d2b3fb15a8 (old id 4407263)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:02:34
• date last changed: 2018-11-21 21:17:56