Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phát triển thiết bị vi dòng cho việc cô đặc tế bào và phân tách huyết cầu - huyết tương
Tóm tắt
Nghiên cứu này giới thiệu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một thiết bị vi dòng sử dụng hiệu ứng Fahraeus-Lindqvist và Zweifach-Fung để cô đặc tế bào và phân tách huyết cầu với huyết tương. Thiết kế của thiết bị bao gồm một kênh chính thẳng với một loạt các kênh nhánh được bố trí đối xứng ở hai bên kênh chính. Thiết kế thực hiện các vùng hẹp trước mỗi ngã ba (điểm phân nhánh) nhằm hướng tế bào, mà sẽ di chuyển gần tường (tự nhiên hoặc sau khi có sự khai thác dịch lỏng tại một ngã ba), về hướng trung tâm của kênh chính. Phân tích lý thuyết và số đã được thực hiện cho thiết kế mạng vi kênh để đảm bảo rằng tỷ lệ lưu lượng tối thiểu (2.5:1, kênh chính-so với các kênh bên) được duy trì tại mỗi ngã ba và dự đoán lưu lượng tại đầu ra huyết tương. Kích thước và vị trí của các vùng hẹp đã được xác định bằng cách sử dụng mô phỏng số. Tác động của sự hiện diện của các vùng hẹp trước các ngã ba đã được chứng minh bằng cách so sánh hiệu suất của thiết bị với và không có các vùng hẹp. Để chứng minh hiệu suất của thiết bị, các thí nghiệm ban đầu đã được thực hiện với các hạt vi nhựa polystyrene (kích thước 10 và 15 μm) và giọt. Cuối cùng, thiết bị đã được sử dụng để cô đặc tế bào HL60 và phân tách huyết tương và tế bào trong mẫu máu loãng. Hiệu quả cô đặc tế bào và tinh chế huyết tương đã được định lượng bằng cách sử dụng Haemocytometer và Bộ phân loại tế bào kích hoạt huỳnh quang (FACS). Một hiệu suất cô đặc tế bào gấp bảy lần đã được đạt được với tế bào HL60 và hiệu suất tinh chế 70% cùng với tỷ lệ thu hồi huyết tương 80% đã được quan sát cho mẫu máu loãng (1:20). FACS đã được sử dụng để xác định sự ly giải tế bào và tính khả thi của tế bào đã được kiểm tra bằng cách sử dụng thử nghiệm Trypan Blue cho thấy hơn 99% tế bào còn sống cho thấy tính phù hợp của thiết bị cho việc sử dụng thực tiễn. Thiết bị được đề xuất có tiềm năng được sử dụng như một mô-đun chuẩn bị mẫu trong các nền tảng chẩn đoán dựa trên chip trong phòng thí nghiệm.
Từ khóa
#thiết bị vi dòng #cô đặc tế bào #phân tách huyết cầu #huyết tương #hiệu ứng Fahraeus-Lindqvist #hiệu ứng Zweifach-FungTài liệu tham khảo
K. Aran, A. Fok, L.A. Sasso, N. Kamdar, Y. Guan, Q. Sun, A. Undar, J.D. Zahn, Microfiltration platform for continuous blood plasma protein extraction from whole blood during cardiac surgery. Lab Chip 11, 2858–2868 (2011)
A.A.S. Bhagat, H. Bow, H.W. Hou, S.J. Tan, J. Han, C.T. Lim, Microfluidics for cell separation. Med. Biol. Eng. Comput. 48, 999–1014 (2010)
P. Bhardwaj, P. Bagdi, A.K. Sen, Microfluidic device based on a microhydrocyclone for particle liquid separation. Lab Chip. 11, 4012–4021 (2011)
C. Blattert, R. Jurischka, A. Schoth, P. Kerth, W. Menz, “Separation of blood cells and plasma in microchannel bend structures”. Lab-on-a-Chip: Plat Dev Appl 5591, 143–151 (2004)
S. Choi, J.K. Park, Continuous hydrophoretic separation and sizing of microparticles using slanted obstacles in a microchannel. Lab Chip 7, 890–897 (2007)
K.H. Chung, Y.H. Choi, J.H. Yang, C.W. Park, W.J. Kim, C.S. Ah, G.Y. Sung, Magnetically-actuated blood filter unit attachable to pre-made biochips. Lab Chip 12(18), 3272–3276 (2012)
T.A. Crowley, V. Pizziconi, Isolation of plasma from whole blood using planar microfilters for lab-on-a-chip applications. Lab Chip 5, 922–929 (2005)
J.A. Davis, D.W. Inglis, K.J. Morton, D.A. Lawrence, L.R. Huang, S.Y. Chou, J.C. Sturm, R.H. Austin, Deterministic hydrodynamics: taking blood apart. PNAS 103, 14779–14784 (2006)
I.K. Dimov, L. Basabe-Desmonts, J.L. Garcia-Cordero, B.M. Ross, A.J. Ricco, L.P. Lee, Stand-alone self-powered integrated microfluidic blood analysis system (SIMBAS). Lab Chip 11, 845–850 (2011)
V. Doyeux, T. Podgorski, S. Peponas, M. Ismail, G. Coupier, Spheres in the vicinity of a bifurcation:elucidating the zweifach–fung effect. J. Fluid Mech 674, 359–388 (2011)
R. Fahraeus and T. Lindqvist, “The viscosity of the blood in narrow capillary tubes”. Am. J. Physiol. 96, 562–568 (1931)
M. Faivre, M. Abkarian, K. Bickraj, H.A. Stone, Geometrical focusing of cells in a microfluidic device: an approach to separate blood plasma. Biorheology 43, 147–159 (2006)
R. Fan, O. Vermesh, A. Srivastava, B.K.H. Yen, L. Qin, H. Ahmad, G.A. Kwong, C. Liu, J. Gould, L. Hood, J.R. Heath, Integrated barcode chips for rapid, multiplexed analysis of proteins in microliter quantities of blood. Nat. Biotechnol. 26(12), 1373–1378 (2008)
Y. C. Fung, Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues, Springer, 1993.
E.P. Furlani, Magnetophoretic separation of blood cells at the microscale. J. Phys. D. Appl. Phys. 40, 1313–1319 (2007)
T.M. Geislinger, T. Franke, Hydrodynamic lift of vesicles and red blood cells in flow--from fåhræus & lindqvist to microfluidic cell sorting. Adv Colloid Interface Sci. 208, 161–176 (2014)
D.R. Gossett, W.M. Weaver, A.J. Mach, S.C. Hur, H.T.K. Tse, W. Lee, H. Amini, D. Di Carlo, Label-free cell separation and sorting in microfluidic systems. Anal. Bioanal. Chem. 397, 3249–3267 (2010)
S. Haeberle, T. Brenner, R. Zengerle, J. Ducre’e, “Centrifugal extraction of plasma from whole blood on a rotating disk”. Lab Chip 6, 776–781 (2006)
A. Homsy, P.D. van der Wal, W. Doll, R. Schaller, S. Korsatko, M. Ratzer, M. Ellmerer, T.R. Pieber, A. Nicol, N.F. de Rooij, “Development and validation of a low cost blood filtration element separating plasma from undiluted whole blood,”. Biomicrofluidics 6, 012804–1-9 (2012)
H.W. Hou, A.A.S. Bhagat, W.C. Lee, S. Huang, J. Han, C.T. Lim, “Microfluidic devices for blood fractionation”. Micro Mach. 2, 319–343 (2011)
R.D. Jaggi, R.S. Carlo, S. Effenhauser, Microfluidic depletion of red blood cells from whole blood in high-aspect-ratio microchannels. Microfluid. Nanofluid. 3, 47–53 (2007)
H. Jiang, X. Weng, C. H. Chon, X. Wu and D. Li, “A microfluidic chip for blood plasma separation using electro-osmotic flow control,” J. Micromech. Microeng., vol. 21, pp. 085019-1-8, 2011
M. Kersaudy-Kerhoas, E. Sollier, Micro-scale blood plasma separation: from acoustophoresis to egg-beaters. Lab Chip 13, 3323–3346 (2013)
M. Kersaudy-Kerhoas, R. Dhariwal, M.P.Y. Desmulliez, Recent advances in microparticle continuous separation. IET Nanobiotechnol. 2(1), 1–13 (2008)
M. Kersaudy-Kerhoas, R. Dhariwal, M.P.Y. Desmulliez, L. Jouvet, Hydrodynamic blood plasma separation in microfluidic channels. Microfluid. Nanofluid. 8, 105–114 (2010a)
M. Kersaudy-Kerhoas, D.M. Kavanagh, R.S. Dhariwal, C.J. Campbell, M.P.Y. Desmulliez, Validation of a blood plasma separation system by biomarker detection. Lab Chip 10, 1587–1595 (2010b)
A. Lenshof, T. Laurell, Continuous separation of cells and particles in microfluidic systems. Chem. Soc. Rev. 39, 1203–1217 (2010)
A. Lenshof, A. Ahmad-Tajudin, K. Järås, A. Swärd-Nilsson, L. Åberg, G. Marko-Varga, J. Malm, H. Lilja, T. Laurell, “Acoustic whole blood plasmapheresis chip for prostate specific antigen microarray diagnostics”. Anal. Chem. 81, 6030–6037 (2009)
C. Li, C. Liu, Z. Xu, J. Li, Extraction of plasma from whole blood using a deposited microbead plug (DMBP) in a capillary-driven microfluidic device. Biomed. Microdevices 14, 565–572 (2012)
S. Liao, C. Chang, H. Chang, “A capillary dielectrophoretic chip for real-time blood cell separation from a drop of whole blood”. Biomicrofluidics 7, 024110–1-9 (2013)
A.J. Mach, D. Di Carlo, Continuous scalable blood filtration device using inertial microfluidics. Biotechnol. Bioeng. 107(2), 302–311 (2010)
J. Moorthy, D.J. Beebe, In situ fabricated porous filters for microsystems. Lab Chip 3, 62–66 (2003)
Y. Nakashima, S. Hata, T. Yasuda, Blood plasma separation and extraction from a minute amount of blood using dielectrophoretic and capillary forces. Sensors Actuators B Chem. 145, 561–569 (2010)
J. Nam, H. Lim, C. Kim, J.Y. Kang, S. Shin, “Density-dependent separation of encapsulated cells in a microfluidic channel by using a standing surface acoustic wave”. Biomicrofluidics 6, 024120–1-10 (2012)
V. Narsimhan, H. Zhao, E.S.G. Shaqfeh, Coarse- grained theory to predict the concentration distribution of red blood cells in wall-bounded couette flow at zero Reynolds number. Phys. Fluids 25, 1–10 (2013)
N. Nivedita, I. Papautsky, “Continuous separation of blood cells in spiral microfluidic devices”. Biomicrofluidics 7, 054101–1-14 (2013)
N. Pamme, Continuous flow separations in microfluidic devices. Lab Chip 7, 1644–1659 (2007)
A. Prabhakar, B.V. Kumar, S. Tripathi, A. Agrawal, “A novel, compact and efficient microchannel arrangement with multiple hydrodynamic effects for blood plasma separation,”. Microfluid. Nanofluid. (2015). doi:10.1007/s10404-014-1488-6
A.R. Pries, D. Neuhaus, P. Gaehtgens, “Blood viscosity in tube flow: dependence on diameter and haematocrit,”. Am. J. Physiol. 263(6Pt2), H1770–1778 (1992)
P. Sajeesh, A.K. Sen, Particle separation and sorting in microfluidic devices: a review. Microfluid. Nanofluid. 17, 1–52 (2014)
P. Sajeesh, M. Doble and A. K. Sen, “Hydrodynamic resistance and mobility of deformable objects in microfluidic channels,” Biomicrofluidics, vol. 8, no. 5, 2014.
A.K. Sen, T. Harvey, J. Clausen, T. Cox, “A microsystem for extraction, capture and detection of E-Coli O157:H7”. Biomedical Microdevices 13, 705–715 (2011)
M. Sun, Z.S. Khan, S.A. Vanapalli, Blood plasma separation in a long two-phase plug flowing through disposable tubing. Lab Chip 12, 5225–5230 (2012)
M. Toner, D. Irimia, Blood-on-a-chip. Annu. Rev. Biomed. Eng. 7, 77–103 (2005)
S. Tripathi, A. Prabhakar, N. Kumar, S.G. Singh, A. Agrawal, “Blood plasma separation in elevated dimension T-shaped microchannel”. Biomed. Microdevices 15(3), 415–425 (2013)
S. Tripathi, Y.V. Bala Varun Kumar, P. Amit, S.S. Joshi, A. Amit, Performance study of microfluidic devices for blood plasma separation—a designer’s perspective. J. Micromech. Microeng. 25, 084004 (2015a) (15 pp)
S. Tripathi, Y.V.B.V. Kumar, A. Prabhakar, S.S. Joshi, A. Agrawal, Passive blood plasma separation at the microscale: a review of design principles and microdevices. J. Micromech. Microeng. 25, 083001 (2015b) (24 pp)
V. VanDelinder, A. Groisman, Separation of plasma from whole human blood in a continuous cross-flow in a molded microfluidic device. Anal. Chem. 76(11), 3765–3771 (2006)
A.P. Wong, M. Gupta, S.S. Shevkoplyas, G.M. Whitesides, Egg beater as centrifuge: isolating human blood plasma from whole blood in resource-poor settings. Lab Chip 8, 2032–2037 (2008)
Xiangdong Xue, MayurK Patel and Chris Bailey, Challenges in Modelling Biofluids in Microchannels”, 2nd Electronics Systemintegration Technology Conference Greenwich, UK. 2007.
C. Xu, Y. Wang, M. Cao, Z. Lu, Dielectrophoresis of human red cells in microchips. Electrophoresis 20, 1829–1831 (1999)
X. Xue, M.K. Patel, M. Kersaudy-Kerhoas, M.P.Y. Desmulliez, C. Bailey, D. Topham, Analysis of fluid separation in microfluidic T-channels. Appl. Math. Model. 36(2), 743–755 (2012)
M. Yamada, M. Nakashima, M. Seki, Pinched flow fractionation: continuous size separation of particles utilizing a laminar flow profile in a pinched microchannel. Anal. Chem. 76, 5465–5471 (2004)
S. Yang, A. Undar, J.D. Zahn, A microfluidic device for continuous, real time blood plasma separation. Lab Chip 6, 871–880 (2006)
L.Y. Yeo, J.R. Friend, D.R. Arifin, “Electric tempest in a teacup: the tea leaf analogy to microfluidic blood plasma separation”. Phys. Lett. 89, 103516–1-3 (2006)
Y. S. Yoon, S. Yang, Y. Moon and K. C. Kim, presented in part at MicroTas 2006, Tokyo, Japan, 2006
X.B. Zhang, Z.Q. Wu, K. Wang, J. Zhu, J.J. Xu, X.H. Xia, H.Y. Chen, Gravitational sedimentation induced blood delamination for continuous plasma separation on a microfluidics chip. Anal. Chem. 84, 3780–3786 (2012)
R. Zhong, N. Wu, Y. Liub, Microfluidic human blood plasma separation for Lab on chip based heavy metal detection. ECS Trans. 41(38), 11–16 (2012)