Effect of channel positions on the performance of bulk-wave-acoustophoresis devices

Abstract

Microscale acoustofluidics utilizes ultrasound to manipulate microparticles flowing through a microchannel. Using this technique, particles or cells can be e.g. separated, aligned, washed or trapped. It is however an emerging technology that should be further developed in order to maximally capitalize on its potential. One possible improvement is to increase the particle migration velocity by increasing the strength of the sound field in the channel. Forcing the particles to migrate faster in a specified direction would allow the user to increase the throughput of a microfluidic chip while maintaining a desired performance. This would not only improve existing applications of acoustofluidics, but also allow new possibilities, such as clinical acoustofluidic blood separation.
Traditional ways of achieving strong sound fields in acoustofluidic devices rely on high input power to piezoelectric transducers, inevitably resulting in significant heat generation which harms the biological samples. Recently, an efficient geometric actuation scheme has been developed for bulk-wave-acoustophoresis devices, where a small piezoelectric transducer actuates from the side of the chip. This technique is able to excite the ideal mode in the channel via symmetry breaking, hence high-throughput particle focusing can be achieved under low input power. A natural extension of this idea is to further explore geometric solutions, such as displacing the channel from the center. In this master’s project, we examine the use of both asymmetric- and twin channel configurations in bulk-wave-acoustophoresis devices to investigate if these geometric solutions are viable for increasing the strength of the sound fields without increasing the input power requirements. The results show that the asymmetric configuration is capable of producing increased performance compared to the symmetric configuration. The twin channel configuration produced mixed results, but considering the potential benefits of this design, it merits further investigation.

Popular Abstract (Swedish)

Effekten av kanalpositioner på prestationsförmågan hos mikrochip byggda för akustofores

I detta arbete undersöks hur olika geometriska konfigurationer påverkar effekten av akustofores i mikrochip, med fokus på mikrokanalernas positioner i chippen. Baserat på simuleringar undersöktes primärt två sorters konfigurationer, en "Asymmetrisk kanal" och en "Tvillingkanal". Experimenten visade att den asymmetriska kanalen var mer framgångsrik än den konventionella konfigurationen, medan tvillingkanalen hade vissa egenskaper som kan vara fördelaktiga vid hög effekt.

Akustofluidik vid mikroskala utnyttjar en kombination av mikrofluidik och akustofores för att förflytta partiklar med ultraljud i ett mikrochip. Tekniken har ett flertal medicinska applikationer, ett sådant exempel är då akustofluidik används för att separera fritt flödande blodceller från blodplasma genom att fokusera blodcellerna i kanalens centrum. Att vidareutveckla förmågan att fokusera fritt flödande partiklar är därmed av intresse både för att förbättra existerande applikationer och för att öppna dörrar för nya applikationsområden. Detta arbete visar hur teknikens prestationsförmåga kan ökas genom att utnyttja olika geometriska utformningar av mikrochippet.
Det förbättringsområde som utforskas här är partiklarnas förflyttningshastighet. Om partiklarna kan fokuseras snabbare så kan t.ex. flödeshastigheten i kanalen ökas, vilket sparar viktig tid ur ett kliniskt perspektiv. Ett simpelt sätt att öka förflyttningshastigheten är att öka effekten i givaren som producerar ultraljudet i kanalen. Detta alternativ är dock suboptimalt av ett antal anledningar. Exempelvis så ökar temperaturen i givaren då effekten ökar, vilket kan vara skadligt för biologiska material såsom blod. Därmed krävs andra sätt att öka förflyttningshastigheten.
Detta arbete bygger på tidigare studier där olika geometriska konfigurationer av kanal och givare utforskats i syfte att öka partiklarnas förflyttningshastighet. Vi fokuserar här på två sorters konfigurationer som vi kallar "Asymmetrisk kanal" och "Tvillingkanal". I den förstnämnda är kanalen förskjuten längs med mikrochippets bredd och i den sistnämnda utsätts två kanaler för ultraljud från en givare på var sida om mikrochippet. Konfigurationerna utvärderas både genom simulering och experimentellt med varierande flödeshastigheter och fasta effekter i givarna. I slutet utförs även akustisk blodseparation med den asymmetriska kanalkonfigurationen. Resultaten visar att den asymmetriska kanalplaceringen inducerar högre förflyttningshastighet än den konventionella symmetriska placeringen. Tvillingkanalen presterade inte lika väl som den asymmetriska kanalen, med tillräckligt väl för att motivera fortsatt utveckling då den har ett antal andra fördelar. Resultatet från blodexperimentet var inte så framgångsrikt som väntat, men även detta bör utforskas vidare.

• author: Dahlberg, Jonathan
• supervisor: Wei Qiu; Amalnath Manindranath
• organization: Department of Biomedical Engineering
• alternative title: Effekten av kanalpositioner på prestationsförmågan hos mikrochip byggda för akustofores
• course: BMEM01 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Acoustofluidics, Channel position, Normalized bandwidth, Asymmetric channel, Twin channel
• language: English
• additional info: 2025-05
• id: 9188304
• date added to LUP: 2025-05-16 13:58:56
• date last changed: 2025-05-27 08:39:58