Advanced

Microfluidics Separation and Analysis of Biological Particles

Beech, Jason LU (2011)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Hoppet väcks för sömnsjuka

Det sticker till i benet. Du viftar med handen, men alltför långsamt. Du ser en glimt av den ljusbruna flugan, stor som ett bi, och hör hur den surrar vidare genom den varma afrikanska eftermiddagen mot sitt nästa blodmål.

Tsetseflugans bett kliar. Inom ett par dagar har det förvandlats till en arg röd svullnad. Därinne förökar sig parasiterna. Inom ett år har parasiterna erövrat din kropp och din hjärna. Efter månader av sömnrubbningar och svåra neurologiska problem som till slut övergått i koma ger ditt utmattade försvarssystem vika. Du somnar en sista gång, den stora sömnen.

Sömnsjukan drabbar en halv miljon människor i Afrika (söder om... (More)
Popular Abstract in Swedish

Hoppet väcks för sömnsjuka

Det sticker till i benet. Du viftar med handen, men alltför långsamt. Du ser en glimt av den ljusbruna flugan, stor som ett bi, och hör hur den surrar vidare genom den varma afrikanska eftermiddagen mot sitt nästa blodmål.

Tsetseflugans bett kliar. Inom ett par dagar har det förvandlats till en arg röd svullnad. Därinne förökar sig parasiterna. Inom ett år har parasiterna erövrat din kropp och din hjärna. Efter månader av sömnrubbningar och svåra neurologiska problem som till slut övergått i koma ger ditt utmattade försvarssystem vika. Du somnar en sista gång, den stora sömnen.

Sömnsjukan drabbar en halv miljon människor i Afrika (söder om Sahara) om året. Av dessa människor dör varje år omkring 60 000. Medicin finns, men den är farlig. Den mest använda, Melarsoprol, är baserad på arsenik och orsaker dödlig hjärninflammation i uppemot 5 procent av patienterna. Att medicinera i tveksamma fall där diagnosen inte är fastställd är inte bara dyrt utan även onödigt riskfyllt.

Nya diagnostiska verktyg behövs

En tidig och korrekt diagnos är mycket viktig för patientens prognos. För att ställa en diagnos måste parasiterna påvisas i blodet. Detta görs fortfarande, som det alltid har gjorts, genom att lägga ut några droppar av det misstänkta blodet på en glasbit. Med hjälp av mikroskop letar man efter parasiterna. Som en nål i en höstack finns de fåtal parasiter man letar efter bland hundra miljontals blodkroppar. Metoder finns att ta bort en del av blodcellerna, vilket underlättar letandet, men dessa metoder, som till exempel centrifugering, kräver relativt stora apparater. De kräver utbildade användare och tillgång till mängder med kemikalier. Räknar man in alla delsteg är processen både arbetsintensiv och tidskrävande. Hoppet är att metoderna i den här avhandlingen ska göra det möjligt för vem som helst att kunna hitta parasiterna i en droppe blod inom bara ett par minuter.

Lab-on-a-chip - Bra för mycket mer än sömnsjukadiagnostik

Ute på den Afrikanska landsbygden, där sömnsjukan förekommer, finns det sällan upprustade laboratorier. Det finns ett kraftigt behov av portabla diagnostiska verktyg som kan fungera lika väl i ett dammigt, provisoriskt tält som i en blänkande ren vårdcentral. För att vara användbara i dessa svåra förhållandena på den afrikanska landsbygden måste verktygen vara effektiva, billiga och bärbara. De ska helst också vara oberoende av annan kringrustning. “Lab-on-a-chip” är ett koncept där man kommer bort från dyr, tung, resurskrävande utrustning genom att krympa ner allt till några kvadratcentimeter - ett laboratorium i mobiltelefonformat.

Sömnsjukadiagnostik är bara ett exempel på hur Lab-on-a-chip verktyg skulle kunna göra skillnad. I naturkatastrof och krigsdrabbade områden där infrastukturen är utslagen eller i rymden och djuphavsmiljöer där det aldrig funnits infrastruktur skulle de här verktygen kunna användas för att samla in information om både miljöns och människornas hälsa.

När “lab-on-a-chip”-tekniken används för diagnostik brukar det kallas för “Point-of-Care Diagnostics”, (engelska för “diagnos vid sängkanten”) och den har redan fått ett par stora genombrott. Några exempel är graviditetstestet och glukosmätaren för diabetiker. När medicinsk diagnostik bara kostar en droppe blod, några kronor och några minuter blir det inte bara lättare att tidigt upptäcka sjukdomar utan gör det också möjligt att följa sjukdomsförlopp i minsta detalj och avgöra till exempel om behandlingen fungerar som förväntat. Små kraftfulla diagnostiska verktyg kommer att leda till en revolution i personlig medicin likt den vi redan upplevt inom kommunikation och informationsteknologi och som lett till att fler än 50% av jordens befolkning, utveklingsländerna inkluderade, äger en mobiltelefon.

Partikelseparation

Ordet “partikel” kommer från latinets, particula, och betyder “liten del”. Det används för såväl elektroner som sandkorn trots en skillnad på 20 storleksordningar i massa. Mycket av det arbetet som görs i forskningslaboratorier och i industriella processer handlar om att separera och sortera partiklar. Vissa processer kräver att man separerar partiklar från vätskor, och andra att man separerar partiklar från andra partiklar. Inom medicinsk diagnostik letar man ofta i kroppsvätskorna efter vissa typer av partiklar som ger information om patientens tillstånd. Som med sömnsjukeparasiterna och blodcellerna i exemplen ovan; när man separerar nålen från höstacken blir den betydligt lättare att hitta. I lab-on-a-chip är partikelseparation också viktig och kan utgöra hela eller bara ett steg i en diagnostisk process.

Separationens huvudidé är att man använder sig av krafter som påverkar partiklarna olika beroende på deras egenskaper. I fallet med höstacken och nålen är magnetiska krafter ett strålande exempel. Nålen skulle lätt kunna fiskas upp av en kraftfull magnet. Alternativt om höet och nålen slängdes i en behållare med vatten skulle höet flyta men nålen, på grund av sin högre densitet, sjunka. Den sistnämnda är samma mekanism som ligger bakom separation med centrifugering.

Mikrofluidik – Rörmokeri i miniatyr

Ett miniatyriserat laboratoriumbygge görs lättast med väldigt små byggstenar. De rör igenom vilka vätskorna ska flöda är oftast betydlig mindre än ett mänskligt hårstrå. I dessa mikrometerstora rörsystem beter vätskorna sig på ett sätt som är mycket annorlunda än det som vi brukar ser när vi stötar på vätskor till vardags. Om de kaotiska, virvlande och bubblande rörelser, som vi brukar förknippar med vätskor kan liknas med hur folkmassan rör sig på en flyplats, blir mikrofluidiska flöden mer som soldater som marscherar på ett torg. I dessa ordnade flöden uppstår det många nya fenomen som kan användas bland annat för att styra och kontrollerar partiklar. Den här avhandlingen dokumenterar våra försök att förstå och använda några av dessa fenomen för att separera och analysera partiklar, främst i medicinska och diagnostiska syften.

Pelarskogar

Metoden vi använder är baserad på ett vätskaflöde genom en skog av mikrometerstora pelare. När en vätskeburen blandning av partiklar, som blod till exempel, flödar genom pelarskogen följer partiklarna olika banor. De enskilda banorna beror på partikelegenskaper som storlek, form och mjukhet men också på avståndet mellan pelarna och mönstret som pelarna är ordnade i. Väljer man rätt mönster och avstånd mellan pelarna efter de partiklar man vill analysera kommer de olika partiklarna att lämna ‘skogen’ på olika ställen. I slutet av pelarskogen kan partiklarna samlas upp och/eller analyseras. Att dela upp blod i sina beståndsdelar är ett typiskt exempel på vad som kan göras med den här metoden.

Att mäta på celler

Eftersom en partikels bana genom dessa pelarskogar beror på storlek, form och mjukhet så ger banan information om just de här egenskaperna. Det betyder att metoden inte bara behöver användas för att separerar partiklar utan även för att mäta på dem också. När man står i mataffären och ska välja en frukt så brukar man titta på fruktens storlek, dess form och man kanske även klämmer på den för att avgöra vilken tillstånd frukten är i. Samma sak gäller för våra celler. Storlek, form och mekaniska egenskaper innehåller mycket information om cellens tillstånd. Sickel-cell anemi är ett exempel på ett sjukligt tillstånd som ändrar cellers form. Malaria, cancer och HIV är exempel på faktorer som påverkar cellers mekaniska egenskaper. I våra pelarskogar kan vi klämma på tusentals celler varje sekund och avgöra hur stora de är, vilken form de har och om de är lika mjuka som de borde vara.

Framtiden

Det finns en del arbete kvar innan vår metod kommer att kunna användas för diagnostik av sömnsjuka, malaria eller cancer. Typiska problem som måste lösas har att göra med att de biologiska proven man letar i är väldigt komplexa och oftast kladdiga och att de saker man letar efter är så väldigt få. Jag vill visa med den här avhandling att, trots dessa svårigheter, de metoder vi har utvecklat skulle kunna utgör grunderna i enkla men kraftfulla diagnostiska verktyg. Det är min förhoppning att dessa verktyg komma att bidra till det stora målet att göra diagnostiska verktyg lika tillgängliga världen runt som mobiltelefoner är idag. (Less)
Abstract
In the last decade, powerful communication and information technology in the form of the mobile phone has been put into the hands of more than 50% of the global population. In stark contrast, a lack of access to medical diagnostic technology with which to diagnose both communicable and non-communicable diseases will mean that many of these people will die of easily treatable conditions. Small, portable, effective and affordable devices able to give relevant information about the health of an individual, even in resource poor environments, could potentially help to change this. And the developing world is not the only resource poor environment; areas struck by natural disaster or by outbreaks of infectious disease or on the battlefield or... (More)
In the last decade, powerful communication and information technology in the form of the mobile phone has been put into the hands of more than 50% of the global population. In stark contrast, a lack of access to medical diagnostic technology with which to diagnose both communicable and non-communicable diseases will mean that many of these people will die of easily treatable conditions. Small, portable, effective and affordable devices able to give relevant information about the health of an individual, even in resource poor environments, could potentially help to change this. And the developing world is not the only resource poor environment; areas struck by natural disaster or by outbreaks of infectious disease or on the battlefield or even at the frontiers of exploration we find environments in which a mobile phone-sized laboratory would have a profound impact, not only on medical, but environmental diagnostics. There are also less dramatic examples. Compared to a well-equipped hospital most environments are resource poor, including the home. Blood sugar measuring devices for example put important information immediately into the hands of the diabetes sufferer in their own home, allowing them to make informed, life-saving decisions about food intake and medication without recourse to medical doctors.

These diagnostic devices will be based on technologies that go under the collective names of micro-total-analysis systems, µTAS, or Lab-on-a-Chip. One of the uniting, integral features of all these technologies is the need to manipulate small volumes of fluids, often containing cells or other particles, from which the diagnostic information is to be wrung. The manipulation of such small volumes of fluids is known as microfluidics.

This doctoral thesis is concerned with particle separation science. More specifically it is concerned with the development of tools for the separation of biologically relevant particles, an important step in almost any analysis, using techniques that have been made possible through the advent of microfluidics. A technique based on the flow of fluid through arrays of micrometre-sized obstacles, Deterministic Lateral Displacement (DLD), is promising because of its exceptional resolution, its suitability for biological separations, the wide range of sizes across which it works and not least because of the promise it holds as a candidate for integration within a lab-on-a-chip. The first devices utilizing the principle were limited to use in the separation of particles by size only. However, there are many physical properties other than size holding a wealth of information about particles, for example cancer and infection with malaria or HIV have been shown to change the deformability of cells and so measuring deformability could provide a means of diagnosing these conditions.

The central tenet of this work is that DLD can be used to separate particles by highly relevant physical properties other than size, for example shape, deformability or electrical properties and that devices that can do this in a cheap and simple way will constitute powerful particle separation tools, useful for diagnostic applications and well suited for integration in a Lab-on-a-Chip.

The aim of this thesis is to present four research papers, documenting the development of new methods that improve the existing DLD technique. Paper I describes how the elastomeric properties of polydimethylsiloxane can be utilized to achieve tuneable separation in DLD devices, making it easier to take advantage of the high resolution inherent in the method. Paper II presents the use of dielectrophoresis to achieve tuneability, improve dynamic range and open up for the separation of particles with regard to factors other than size. Paper III describes how control of particle orientation can be used to separate particles based on their shape and how this can be used to separate blood-borne parasites from blood. Finally Paper IV deals with the size, shape and deformability of cells and how DLD devices can be used, both to measure these properties, and to perform separations based on them.

The hope is that these methods might ultimately play a small part in helping diagnostics technology to become as ubiquitous as information technology has become in the last ten years and that this will have a profound impact on global health. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Prof. Takayama, Shuichi, University of Michigan, Ann Arbor, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Point-of-care, Lab-on-a-chip, Microfluidics, Separation science, Deterministic Lateral Displacement, morphology, deformability, Fysicumarkivet A:2011:Beech
pages
215 pages
publisher
Fasta Tillståndets Fysik
defense location
Lecture hall B, Fysikum, Sölvegatan 14, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2011-11-22 13:15
ISBN
978-91-7473-195-8
language
English
LU publication?
yes
id
f542c324-8398-4401-bd63-dd711dc9918b (old id 2198801)
date added to LUP
2011-10-25 16:46:39
date last changed
2016-09-19 08:45:01
@phdthesis{f542c324-8398-4401-bd63-dd711dc9918b,
  abstract     = {In the last decade, powerful communication and information technology in the form of the mobile phone has been put into the hands of more than 50% of the global population. In stark contrast, a lack of access to medical diagnostic technology with which to diagnose both communicable and non-communicable diseases will mean that many of these people will die of easily treatable conditions. Small, portable, effective and affordable devices able to give relevant information about the health of an individual, even in resource poor environments, could potentially help to change this. And the developing world is not the only resource poor environment; areas struck by natural disaster or by outbreaks of infectious disease or on the battlefield or even at the frontiers of exploration we find environments in which a mobile phone-sized laboratory would have a profound impact, not only on medical, but environmental diagnostics. There are also less dramatic examples. Compared to a well-equipped hospital most environments are resource poor, including the home. Blood sugar measuring devices for example put important information immediately into the hands of the diabetes sufferer in their own home, allowing them to make informed, life-saving decisions about food intake and medication without recourse to medical doctors.<br/><br>
These diagnostic devices will be based on technologies that go under the collective names of micro-total-analysis systems, µTAS, or Lab-on-a-Chip. One of the uniting, integral features of all these technologies is the need to manipulate small volumes of fluids, often containing cells or other particles, from which the diagnostic information is to be wrung. The manipulation of such small volumes of fluids is known as microfluidics.<br/><br>
This doctoral thesis is concerned with particle separation science. More specifically it is concerned with the development of tools for the separation of biologically relevant particles, an important step in almost any analysis, using techniques that have been made possible through the advent of microfluidics. A technique based on the flow of fluid through arrays of micrometre-sized obstacles, Deterministic Lateral Displacement (DLD), is promising because of its exceptional resolution, its suitability for biological separations, the wide range of sizes across which it works and not least because of the promise it holds as a candidate for integration within a lab-on-a-chip. The first devices utilizing the principle were limited to use in the separation of particles by size only. However, there are many physical properties other than size holding a wealth of information about particles, for example cancer and infection with malaria or HIV have been shown to change the deformability of cells and so measuring deformability could provide a means of diagnosing these conditions. <br/><br>
The central tenet of this work is that DLD can be used to separate particles by highly relevant physical properties other than size, for example shape, deformability or electrical properties and that devices that can do this in a cheap and simple way will constitute powerful particle separation tools, useful for diagnostic applications and well suited for integration in a Lab-on-a-Chip. <br/><br>
The aim of this thesis is to present four research papers, documenting the development of new methods that improve the existing DLD technique. Paper I describes how the elastomeric properties of polydimethylsiloxane can be utilized to achieve tuneable separation in DLD devices, making it easier to take advantage of the high resolution inherent in the method. Paper II presents the use of dielectrophoresis to achieve tuneability, improve dynamic range and open up for the separation of particles with regard to factors other than size. Paper III describes how control of particle orientation can be used to separate particles based on their shape and how this can be used to separate blood-borne parasites from blood. Finally Paper IV deals with the size, shape and deformability of cells and how DLD devices can be used, both to measure these properties, and to perform separations based on them.<br/><br>
The hope is that these methods might ultimately play a small part in helping diagnostics technology to become as ubiquitous as information technology has become in the last ten years and that this will have a profound impact on global health.},
  author       = {Beech, Jason},
  isbn         = {978-91-7473-195-8},
  keyword      = {Point-of-care,Lab-on-a-chip,Microfluidics,Separation science,Deterministic Lateral Displacement,morphology,deformability,Fysicumarkivet A:2011:Beech},
  language     = {eng},
  pages        = {215},
  publisher    = {Fasta Tillståndets Fysik},
  school       = {Lund University},
  title        = {Microfluidics Separation and Analysis of Biological Particles},
  year         = {2011},
}