Acoustic trapping - a comparison between two trapping systems

Abstract

Abstract

Microfluidics is the field where the behavior of fluids is studied in very small channels, and small means that the size of the channels normally is only a couple of hundred microns. Fluids in the µL/nL/pL range are handled in microfluidics. There´s a difference in the behavior of fluids on the microscale compared to the macroscale. This difference, taken into consideration yields several possibilities of handling smaller particles. One way to manipulate particles in a microfluidic system is by using acoustic trapping, which is an application of acoustics and microfluidics combined. Acoustic trapping is a method used to trap, wash and enrich cells and other small particles (such as bacteria and exosomes) in microfluidic channels using sound waves, ultrasound to be more specific. Ultrasound can be generated by a piezoelectric transducer in channels consisting of a rectangular cross-section glass capillary. The ultrasound creates a standing wave in the capillary. The standing wave gives rise to several forces which helps manipulate particles trapped within the capillary. Technical applications of microfluidics point to the direction of lab-on-a-chip (LOC) systems, which is a shrinkage of an entire laboratory to a chip. LOC-systems have the advantages of handling smaller volumes and a superb fluid control. That’s is why LOC-techniques have been suggested as a new way of handling particles.

In my thesis I introduce the reader to fundamental concepts within the fields of microfluidics and acoustofluidics. The main objective of this thesis was to investigate whether the capacity of trapping nano-and microparticles changed with one system over the other. One system containing a chip with one piezo element (the single-chip), while the other system consisted of a chip with two piezo elements (the dual-chip). For the experiments in this thesis, a resonance frequency of 4 MHz was used for both acoustic trapping units. Furthermore, trapping protocols were developed to optimize recovery for both systems. Several combinations of flowrates and aspirating volumes were tested. Finally, experiments for separation of different populations of nano-and microparticles were also made. The conclusion drawn from this project is that the system with two ultrasound transducers has a higher recovery for trapping compared with the system consisting of one ultrasound transducer. This should provide a base for further studies with the system consisting of two piezo elements.

Popular Abstract (Swedish)

En jämförelse mellan singel-chipet och dual-chipet: ny tillämpning för akustisk infångning av celler och partiklar

Mikrofluidik är ett expansivt område som banar väg för utveckling av ny mikroteknologi inom det medicintekniska området. Genom att studera och försöka förstå hur vätskor och mindre partiklar beter sig på mikroskalan kan man finna lösningar till mer effektiva analysmetoder på exempelvis bakterier från blodprover eller cancerceller.
Den teknologiska utvecklingen har tagit oss så långt att vi numer kan genomföra analyser av celler och mikropartiklar (så som exosomer och bakterier) på ett litet chip istället för ett helt laboratorium. Denna teknologin, även kallad Lab-on-a-chip, innebär att man krymper de vätskevolymer man arbetar med ner till mikroliter eller nanoliter. Fördelarna med denna teknologi är att kostnaderna reduceras, proverna analyseras på ett mer tidseffektivt sätt samt att det är en kontrollerad miljö.
Med hjälp av ultraljudsteknik och mikrofluidiksystem, dvs små kanaler på mikroskalan, kan man fånga celler och mikropartiklar utan att vidröra dem. Denna tillämpning kallas för akustisk infångning. Principen går ut på att ultraljud sänds in i en kanal genom exempelvis en funktionsgenerator, varvid en akustisk våg uppstår och utifrån denna våg uppstår krafter som har en inverkan på partiklarna inne i den akustiska partikelfällan. Partiklarna, som styrs av den genererade akustiska vågen, klumpar ihop sig i form av kluster. Dessa kluster kan sedan skjutas ut i mindre provrör när ultraljudet stängs av och på så vis kan provrör analyseras enskilt.

Det här arbetet går ut på att fånga mikropartiklar med hjälp av ultraljudsteknik. Fokus har varit på att undersöka möjligheten att öka infångningskapaciteten. Ett system med ett chip bestående av en ultraljudsgivare, singel-chipet, jämförs med ett annat chip bestående av två ultraljudsgivare, dual-chipet. Fokus ligger på dual-chipet, där jag testar olika konfigurationer av det systemet med avseende på infångningseffektivitet. Vidare ska systemet med två ultraljudsgivare användas för att undersöka möjligheten att sortera och urskilja olika populationer av partiklar.

I denna rapport, och utifrån resultaten jag fått har det visats att systemet med två ultraljudsgivare har gett en ökad infångningskapacitet i jämförelse med systemet bestående av en ultraljudsgivare. Vidare finns där möjligheter för att kunna isolera och sortera olika populationer inne i fällan med hjälp av dual-chipet. Även om resultaten inte var helt lyckade.
Akustik infångning kan man ha nytta av inom sjukvården där diagnostik av sjukdomar bör göras på ett snabbt och säkert vis. Blod, urin eller andra kroppsvätskor behöver oftast analyseras för att patienters hälsotillstånd ska fastställas. Tanken med denna teknik är att kunna underlätta identifiering av blodinfektioner (sepsis), med storleksordningen 100 nm, genom ett blodprov på ett snabbt och effektivt sätt. Vidare vill man även försöka underlätta identifiering av olika cancerceller. Dual-chipet används för att undersöka möjligheten att sortera och urskilja olika populationer av celler eller partiklar. Detta kan innebära att flera olika sjukdomar kan diagnosticeras genom ett enda prov. Att ha dual-chipet till förfogande kan förbättra och påskynda diagnos av sjukdomar och infektioner framöver.

• author: Khalil, Husse
• supervisor: Carl Johannesson; Mikael Evander
• organization: Department of Biomedical Engineering
• course: BMEM01 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Microfluidics, acoustofluidics, ultrasound, acoustic trapping, lab-on-a-chip
• language: English
• additional info: 2019-03
• id: 8969524
• date added to LUP: 2019-03-19 14:48:55
• date last changed: 2019-03-19 14:48:55