Advanced

Multinodal High Throughput Acoustic Trapping

Broman, Axel LU (2019) BMEM01 20191
Department of Biomedical Engineering
Abstract
This thesis outlines the design and construction of an acoustophoretic trapping device with greatly increased capacity and throughput, compared to current commercial systems. In acoustic trapping, a strong, localised acoustic field is generated inside a channel. This field can capture and retain particles against a flow, allowing for nanoparticle purification and enrichment without the need for ultracentrifugation. This thesis investigates the possibility of creating acoustic trapping units with a large glass capillary actuated with multiple pressure nodes. The units were assessed on their trapping capacity, throughput and their trapping efficiency of 500 nm fluorescent polystyrene particles. It was also investigated whether it was... (More)
This thesis outlines the design and construction of an acoustophoretic trapping device with greatly increased capacity and throughput, compared to current commercial systems. In acoustic trapping, a strong, localised acoustic field is generated inside a channel. This field can capture and retain particles against a flow, allowing for nanoparticle purification and enrichment without the need for ultracentrifugation. This thesis investigates the possibility of creating acoustic trapping units with a large glass capillary actuated with multiple pressure nodes. The units were assessed on their trapping capacity, throughput and their trapping efficiency of 500 nm fluorescent polystyrene particles. It was also investigated whether it was possible to capture and enrich exosomes from urine samples. The results were compared to the current commercial system, the AcouTrap (AcouSort AB). The trapping unit was capable of holding 860000 12 μm polystyrene particles, corresponding to a 40-fold increase in trapping capacity. The system was able to hold a stable cluster and trap submicron particles for flow rates of up to 2000 μl/min, which is 40 times higher than the highest recommended throughput for the AcouTrap. It was possible to capture and enrich exosomes from urine samples at 500 μl/min, 30 times higher than previously used. The sample processing time was decreased from 6 hours to 15 minutes, while capturing a greater number of exosomes. 2 ng of exosomal RNA was successfully extracted from 3 ml of urine. The greatly increased capacity and throughput opens for new possibilities for acoustic trapping as a laboratory tool. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
En ny akustisk infångningsenhet med kraftigt ökad kapacitet kan anrika nanopartiklar från kroppsvätskor.

Det finns otroligt mycket information att utvinna ur biologiska vätskor som blod och urin. Biomolekyler som proteiner, blodkroppar och RNA kan säga väldigt mycket om en patients hälsa. Denna information är därför väldigt användbar för läkare när de ska sätta diagnoser, men för att få ut någonting användbart av all information måste nästan alltid provet förbehandlas. Ett väldigt vanligt verktyg för provbehandling är centrifugen, som separerar partiklar och vätskor baserat på deras densitet. Centrifugering kan dock vara en tidskrävande process med många manuella steg och de starka krafterna som provet utsätts för riskerar att skada... (More)
En ny akustisk infångningsenhet med kraftigt ökad kapacitet kan anrika nanopartiklar från kroppsvätskor.

Det finns otroligt mycket information att utvinna ur biologiska vätskor som blod och urin. Biomolekyler som proteiner, blodkroppar och RNA kan säga väldigt mycket om en patients hälsa. Denna information är därför väldigt användbar för läkare när de ska sätta diagnoser, men för att få ut någonting användbart av all information måste nästan alltid provet förbehandlas. Ett väldigt vanligt verktyg för provbehandling är centrifugen, som separerar partiklar och vätskor baserat på deras densitet. Centrifugering kan dock vara en tidskrävande process med många manuella steg och de starka krafterna som provet utsätts för riskerar att skada provet.

Idag är det vanligt att man tittar efter vesiklar i kroppsvätskor. Vesiklar är små vätskefyllda blåsor som utsöndras av celler och innehåller olika biomolekyler. Exosomer är en typ av vesiklar runt som är 40-100 nanometer stora och finns i nästan alla kroppsvätskor. Ur ett analysperspektiv är de mycket intressanta då de innehåller information om cellerna de härstammar från. Deras storlek gör det dock mycket svårt att rena upp dessa partiklar med hjälp av centrifugering.

Akustisk infångning (acoustic trapping) är en relativt ny metod som använder ultraljud för att fånga och rena partiklar från kroppsvätskor. Ultraljudet är anpassat för att skapa en stående våg i en kanal med en nod i mitten av kanalen. Partiklar i vätskan dras till noden och fastnar där. På så sätt går det att anrika partiklar med en väldigt låg koncentration från en vätska. De kan sedan släppas genom att stänga av ultraljudet. Med hjälp av akustisk infångning går det att fånga partiklar som är så små som 100 nanometer, dvs tusen gånger mindre än bredden på ett hårstrå.

I detta examensarbete utforskades möjligheten att konstruera en ny enhet för akustisk infångning med ökad kapacitet och högre genomströmning. Detta gjordes genom att använda en större kanal och en ultraljudsvåg med multipla noder istället för bara en nod. Enhetens kapacitet mättes genom att undersöka hur många 12 mikrometer stora polystyrenpartiklar som kunde hållas fångade samtidigt. Den nya enheten visade en kapacitet som var 40 gånger högre än för existerande system. Vidare var det även möjligt att fånga in 500 nm partiklar vid flöden som var upp till 40 gånger högre än rekommenderade flödena för andra system. Det undersöktes även huruvida det var möjligt att fånga in exosomer från urinprov. Enheten lyckades fånga in fler exosomer än andra system, från en mindre volym urin och med en samtidigt kraftigt reducerad provbehandlingstid. Systemet fångade in fler exosomer på 15 minuter än vad tidigare system fångade på 20 timmar. Detta möjliggör nya typer av provbehandlingar med hjälp av akustisk infångning som förhoppningsvis kan användas för förbättrad bioanalys och diagnostik. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Broman, Axel LU
supervisor
organization
course
BMEM01 20191
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Acoustic Trapping, Acoustophoresis, Microfluidics, High throughput, High capacity, Acoustofluidics, Extracellular vesicles, Exosome enrichment
language
English
additional info
2019-06
id
8978266
date added to LUP
2019-06-03 14:04:27
date last changed
2019-06-03 14:04:27
@misc{8978266,
  abstract     = {This thesis outlines the design and construction of an acoustophoretic trapping device with greatly increased capacity and throughput, compared to current commercial systems. In acoustic trapping, a strong, localised acoustic field is generated inside a channel. This field can capture and retain particles against a flow, allowing for nanoparticle purification and enrichment without the need for ultracentrifugation. This thesis investigates the possibility of creating acoustic trapping units with a large glass capillary actuated with multiple pressure nodes. The units were assessed on their trapping capacity, throughput and their trapping efficiency of 500 nm fluorescent polystyrene particles. It was also investigated whether it was possible to capture and enrich exosomes from urine samples. The results were compared to the current commercial system, the AcouTrap (AcouSort AB). The trapping unit was capable of holding 860000 12 μm polystyrene particles, corresponding to a 40-fold increase in trapping capacity. The system was able to hold a stable cluster and trap submicron particles for flow rates of up to 2000 μl/min, which is 40 times higher than the highest recommended throughput for the AcouTrap. It was possible to capture and enrich exosomes from urine samples at 500 μl/min, 30 times higher than previously used. The sample processing time was decreased from 6 hours to 15 minutes, while capturing a greater number of exosomes. 2 ng of exosomal RNA was successfully extracted from 3 ml of urine. The greatly increased capacity and throughput opens for new possibilities for acoustic trapping as a laboratory tool.},
  author       = {Broman, Axel},
  keyword      = {Acoustic Trapping,Acoustophoresis,Microfluidics,High throughput,High capacity,Acoustofluidics,Extracellular vesicles,Exosome enrichment},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Multinodal High Throughput Acoustic Trapping},
  year         = {2019},
}