Microfluidic system for cell separation and deformation assessment by using passive methods

Abstract

Os sistemas microfluídicos têm sido usados com sucesso em muitas aplicações biomédicas. As principais vantagens destes sistemas consistem na utilização de volumes de amostras reduzidos e com tempos de ensaios curtos. Além disso, os sistemas microfluídicos possibilitam a execução de várias tarefas em paralelo numa única plataforma microfluídica, como por exemplo a separação e medição da deformabilidade de células/partículas. Em dispositivos microfluídicos, existem dois métodos principais para separar células: métodos passivos, baseados em microestruturas e escoamentos laminares, e métodos ativos, baseados em campos de forças externos. Muitos estudos têm sido realizados com métodos passivos, pois estes não necessitam de forças externas. Nesta tese serão apresentadas diferentes geometrias passivas para um dispositivo microfluídico, constituído por vários filtros de fluxo cruzado e multiníveis com o intuito de separar células/partículas em função do seu tamanho. Outra característica importante é a implementação de microcanais hiperbólicos a montante das saídas por forma a criar um escoamento extensional homogéneo e consequentemente medir a deformabilidade das células de forma controlada. Após a separação e avaliação da deformação, a quantidade de glóbulos vermelhos será quantificada por um método de espectrofotometria. Os resultados indicam que várias geometrias mostraram uma boa taxa de separação, confirmada pelas medidas de camada livre de células e pela espectrofotometria. Verificou-se também que os sistemas microfluídicos testados são capazes de separar amostras patológicas de sangue, demostrando assim o seu potencial em realizar simultaneamente a separação e deformação de células patológicas, como por exemplo células provenientes de pacientes diagnosticados com malária e/ou diabetes.

Microfluidic systems have been successfully used at many biomedical applications. Their great advantages allow working with minimal sample volumes and with short assays times. Additionally, microfluidic systems allow parallel operations in a single microfluidic platform such as separation and measurement of single cell/particles deformability. In microfluidic devices, there are two main methods for cells separation: passive methods, based on microstructures and laminar flow, and active methods, based on external force fields. Many studies have been made using passive methods because they do not require external forces. In this thesis it will be presented different geometrical passive approaches for a microfluidic device, that will have crossflow filters and multilevel steps that will separate the cells/particles by their size. Another important feature is the implementation of hyperbolic microchannels upstream the outlets in order to create a homogeneous extensional flow and consequently to measure the cells deformability in a controlled way. After the separation and deformation assessment, the amount of RBCs will be quantified by a spectrophotometry method. The results indicate that several geometries have shown a good separation rate, confirmed by the cell free layer and spectrophotometry measurements. It was also verified that the tested microfluidic systems are able to separate pathological blood samples, showing its potential to perform simultaneously separation and deformation assessments of blood diseases, such as malaria and diabetes.