Study of blood cells flowing in microchannels with diverging bifurcations and development of an innovative blood analogue fluid

Abstract

Blood is a non-Newtonian fluid made up of different types of cells, platelets and a yellowish liquid called plasma and it is essential for the diagnosis of various diseases. Blood flow is a topic of great interest to the scientific community and therefore several studies have been done using microfluidic devices to mimic the microvascular system. As the experiments with real blood are often complex due to safety, economical and bureaucratic issues, the research about the development of blood-like fluids has been during the years an important research topic. In the first phase of this work, a blood analog was developed using the Encapsulator B-395 Pro and alginate to produce flexible microparticles to mimic the red blood cells (RBCs). To reach the goal, different procedures were tested. Overall, the results were satisfactory. In a second phase, microchannels in polydimethylsiloxane (PDMS) were manufactured using a soft lithography technique. The master molds in SU-8 were manufactured by photolithography and well-defined complex structures were obtained. These microchannel networks aimed to study the flow behavior of individual RBCs at diverging bifurcations. Finally, individual RBCs were studied in microchannels having diverging bifurcations with different angles. The deformation and velocity of RBCs were measured by using a high-speed video microscopy system. Overall, the results clearly indicate that the stagnation region located at the bifurcation apex strongly influence both RBCs velocity and deformability. Additionally, around the apex the cells in addition to the increase of the deformation also seem to suffer a rotational motion. This work provides an important contribution to the field of blood analogues, microfluidics and microcirculation.

O sangue é um fluido não newtoniano constituído por diferentes tipos de células, plaquetas e um líquido amarelado chamado plasma e é essencial para o diagnóstico de várias doenças. O escoamento sanguíneo é um tema de grande interesse para a comunidade científica e por isso vários estudos têm sido feitos recorrendo a dispositivos microfluídicos para imitar o sistema microvascular. Como os experimentos com sangue são frequentemente complexos devido a questões de segurança, económicas e burocráticas, a investigação sobre o desenvolvimento de fluidos análogos ao sangue tem sido, durante anos, alvo de investigação. Numa primeira fase deste trabalho, foi desenvolvido um análogo ao sangue recorrendo ao equipamento Encapsulator B-395 Pro e ao Alginato para fabricar micropartículas a imitar os glóbulos vermelhos. Para se atingir o objetivo testaram-se diferentes procedimentos. De uma forma geral os resultados foram satisfatórios. Numa segunda fase foram fabricados microcanais em polidimetilsiloxano (PDMS) recorrendo à técnica litografia suave. Os moldes master em SU-8 foram fabricados por fotolitografia e obtiveram-se estruturas bem definidas. Estes microcanais tinham como objetivo o estudo do comportamento do escoamento de glóbulos vermelhos individuais em bifurcações divergentes. Por último, os glóbulos vermelhos foram estudados individualmente em microcanais que continham bifurcações divergentes com diferentes ângulos. Mediu-se a deformação e velocidade dos glóbulos vermelhos recorrendo a uma câmara de alta velocidade e a um microscópio. No geral, os resultados indicam claramente que a região de estagnação localizada no ápex da bifurcação influencia fortemente a velocidade e deformação dos glóbulos vermelhos. Além disso, em torno do ápex, as células, além do aumento da deformação, também parecem sofrer um movimento de rotação. Este trabalho fornece uma importante contribuição para a área dos fluidos análogos ao sangue, microfluídica e microcirculação.