Universität zu Köln

Cell Sorting in Deterministic Lateral Displacement Devices

Henry, Ewan (2017) Cell Sorting in Deterministic Lateral Displacement Devices. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The ability to sort cells is extremely desirable in many fields such as diagnostics, chemical processing, and biological analyses. Label-free sorting schemes in microfluidic devices represent a promising alternative to the fluorescence and immunomagnetic activated cell sorting methods which are current industry standards; permitting reduced costs, simpler operation, and increased portability. Furthermore, passive label-free sorting schemes such as deterministic lateral displacement (DLD) devices pose further advantages; for instance, sorting cells in accordance with their physical properties with no need for the application of external fields, magnetic beads, or fluorescent labels. Many of the cells and particles which require sorting are non-spherical and deformable, however the majority of theory for predicting particle behaviour in Deterministic Lateral Displacement (DLD) devices is only applicable to the limited case of rigid spheres in circular post arrays. The concept behind the separation mechanism for rigid spheres relies upon the assumption that DLD device geometry uniquely determines the fluid flow field, which subsequently defines a critical particle size and the lateral separation of particles of different sizes. Whilst the developed theories are exceedingly successful for designing devices for separating rigid beads, they are restricted to sorting particles by size, a characteristic which is ill-defined for non-spherical deformable particles in flow. Furthermore, this design approach squanders the full potential of DLD, which could utilise alternative particle characteristics such as elasticity and dynamic behaviour as the bases for separation of non-spherical deformable particles. This work uses a combination of mesoscale hydrodynamic simulations and microfluidics experiments to demonstrate how cells’ mechanical and dynamic properties can be used as separation criteria within different DLD device geometries. Two mesoscopic particle-based methods are employed in simulations to represent fluid; the dissipative particle dynamic (DPD) technique and the smoothed dissipative particle dynamic method (SDPD). Additionally, two-dimensional(2D) mesoscopic models of rigid beads and red blood cells (RBC) are employed to investigate particle motion in DLD devices in a qualitative manner, and a three-dimensional (3D) model of Red Blood Cell (RBC)s is used to obtain a more precise quantitative picture. RBCs are chosen because they represent a ubiquitous non-spherical deformable particle, and sorting based on their mechanical properties in DLD devices would aid in diagnosis of lethal diseases such as malaria. The 2D simulation results show that a critical particle size can be well defined for rigid spherical particles in circular post arrays depending on the inter-post spacing, the row-shift fraction, and the corresponding flow field; in quantitative agreement with current empirical findings and theory. Additional 2D simulations allow the empirical equation for the critical size of rigid spherical particles in circular post arrays to be generalized and extended for diamond, square and triangular post arrays. In contrast, 2D simulation results demonstrate that RBCs exhibit far more complex dynamics within DLD post arrays than rigid spheres, and the particle motion cannot be predicted by a single parameter such as the critical size. Instead, the dynamic behaviour and deformation of the RBC are found to strongly influence transit behaviour through DLD devices, providing the potential for novel sorting schemes. The 2D work motivates the further study of RBC behaviour in DLD devices using 3D simulations and supplementary experiments to gain a more quantitative understanding of the underlying physical mechanisms at play. 3D simulations and microfluidic experiments achieve excellent quantitative agreement and reveal that RBCs can travel in transit modes which are inaccessible to rigid spheres due to the complex interplay between hydrodynamic interactions with posts, RBC deformations, and RBC dynamic behaviour. The dynamic behaviour of RBCs is investigated by confining cells within flow channels of different heights and by altering the ratio between the intra-cellular fluid and the suspending medium. Thin devices inhibit the dynamic behaviour of RBCs, resulting in trajectories which are more like those of rigid spheres, however deformation still plays a key distinctive role. Thick devices which allow full re-orientation of RBCs and different dynamic behaviours are observed at different viscosity contrasts: At physiological viscosity contrasts RBC s are found to move in a tumbling motion and, under conditions where the intra- and extra- cellular fluid are equal, RBCs are found to favour tank-treading behaviour. Each of these distinct dynamic behaviours result in dramatically different RBC trajectories through DLD post arrays, demonstrating how non-spherical deformable particles can be sorted according to characteristics other than size, such as membrane shear modulus, membrane bending rigidity, or internal viscosity. Finally, 3D simulations are used to demonstrate a potential DLD device design for deformability-based sorting of RBCs; achieving good lateral separation between healthy RBCs and RBCs with pathological values for their shear modulus.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Zellen nach ihren Eigenschaften zu sortieren ist in vielen Bereichen wie Diagnostik oder chemischen und biologischen Analysen von großem Interesse. Die Trennung in mikrofluidischen Apparaturen, für die keine Marker benötigt werden, stellt durch geringere Kosten, einfache Bedienung und erleichtertem Transport eine vielversprechende Alternative zu gegenwärtigen Industriestandards, wie die Trennung durch fluoreszenz- oder immunomagnetisch markierter Partikel, dar. Ein weiterer Vorteil von Apparaturen, die ohne Marker auskommen, z.B. deterministic lateral displacement (DLD), ist die Sortierung der Moleküle ausschließlich aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften, ohne die Notwendigkeit von externen Feldern oder Magnetpartikeln. Viele Zelltypen und Moleküle bei denen das Trennen nach physikalischen Eigenschaften von Interesse ist, sind nicht kugelförmig und verformbar. Jedoch sind bestehende Theorien in erster Linie ausschließlich auf Strömungsverhalten starrer Kugeln in Rundsäulen-Arrays in DLD Apparaturen anwendbar. Dem Prinzip der Trennung von starren Kugeln liegt die Annahme zugrunde, dass das Strömungsfeld der Flüssigkeit hauptsächlich durch die Geometrie der Apparatur bestimmt wird, wodurch eine kritische Partikelgröße definiert wird, die zur räumlichen Aufspaltung von Objekten verschiedener Größe führt. Die bereits bestehenden Theorien eignen sich hervorragend für den Entwurf von Apparaturen zur Trennung von starren Kugeln, jedoch sind sie auf die Trennung nach Teilchengröße beschränkt. Da sich hingegen die Partikelgröße für nicht-kugelförmige, verformbare Objekte in einer Strömung nicht klar definieren lässt, sind diese Theorien nur beschränkt auf solche Partikel anwendbar. Im Rahmen dieses Projektes wird eine Kombination von mesoskopischen, teilchenbasierten Simulationsmethoden und mikrofluidischen Experimenten verwendet, um nachzuweisen, wie mechanische (Viskositätskontrast, Schubmodul, Membranbiegesteifigkeit) und dynamische Eigenschaften von Zellen als Trennungskriterien in DLD Apparaturen genutzt werden können. Um die Flüssigkeit zu simulieren werden zwei mesoskopische, teilchenbasierte Methoden angewendet: die dissipative particle dynamics (DPD) und die smoothed dissipative particle dynamics (SDPD) Methode. Zusätzlich werden zweidimensionale (2D), mesoskopische Modelle von starren Kugeln und roten Blutkörperchen (red blood cells – RBCs) verwendet, um Teilchenbewegung in DLD Apparaturen in einer qualitativen Weise zu erforschen und ein dreidimensionales (3D) Modell von RBCs um eine genauere quantitative Darstellung zu erhalten. RBCs werden als Modell verwendet, da sie allgegenwärtige nicht-kugelförmige, verformbare Objekte darstellen. Des Weiteren kann die Trennung von RBCs aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften in DLD Apparaturen die Diagnose von tödlichen Blutkrankheiten wie Malaria unterstützen. Die Ergebnisse der 2D Simulationen zeigen, dass sich die kritische Partikelgröße für starre, kugelförmige Partikel im Rundsäulen-Array abhängig von dem Abstand der Säulen, der Fraktion der Zeilenveschiebung und dem korrespondierenden Strömungsfeld, gut bestimmen lässt. Dies steht im Einklang mit Theorie und empirischen Erkenntnissen. Zusätzliche 2D Simulationen verschiedener Säulen-Array Geometrien ermöglichen die Erweiterung der empirischen Gleichung für die kritische Größe starrer kugelförmiger Partikel auf Rauten-, Viereck- und Dreieck-Säulen Arrays. Dagegen zeigen 2D Simulationen, dass RBCs eine weitaus komplexere Dynamik in DLD Arrays vorweisen als starre Kugeln, da die Teilchenbewegung nicht von einem einzelnen Parameter wie der kritischen Größe abhängig gemacht werden kann. Stattdessen kann beobachtet werden, dass dynamisches Verhalten und Verformung der RBCs den Durchfluss durch die DLD Apparatur stark beeinflussen, was die Entwicklung neuer Sortiersysteme ermöglicht. Die Ergebnisse der 2D Simulationen verdeutlichen die Wichtigkeit weiterer Untersuchungen vom Strömungsverhalten von RBC in DLD Apparaturen mittels 3D Simulationen und ergänzenden Experimenten, damit ein besseres quantitatives Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen aufgebaut werden kann. 3D Simulationen und mikrofluidische Experimente zeigen, dass die Trajektorien durch einen Rundsäulen-Array von RBCs deutlich von denen von starren Kugeln abweichen können. Dies ist durch das komplexe Zusammenspiel von hydrodynamischen Wechselwirkungen mit den Säulen, der Verformung der RBCs und dem dynamischem Verhalten bedingt. Dabei wird das dynamische Verhalten der RBCs für verschiedene Höhen der Durchflusskanäle und verschiedene Verhältnisse der Viskosität von intra- und extrazellulärer Flüssigkeit (Medium) untersucht. Flache Apparaturen hemmen das dynamische Verhalten der RBCs, was zu Trajektorien führt, die der starrer Kugeln ähneln, jedoch beeinflusst von der RBC Deformierung. Höhere Apparaturen erlauben eine Neuausrichtung der RBCs in allen Raumdimensionen. Dabei wurde unterschiedliches dynamisches Verhalten bei verschiedenen Viskositätsverhältnissen beobachtet: bei physiologischem Viskositätskontrast wird eine taumelnde Bewegung der RBCs beobachtet. Ist die Viskosität der intra- und interzellulären Flüssigkeit gleich, wird vermehrt das Tank-treading-Verhalten beobachtet. Zusammenfassend führen alle Szenarien zu extrem unterschiedlichem Durchflussverhalten der RBCs in DLD Säulen-Arrays, was zeigt, dass nicht-kugelförmige, verformbare Partikel nach anderen Eigenschaften als der Größe, wie Viskositätskontrast, Schermodul oder Biegesteifigkeit, sortiert werden können. Abschließend wurden 3D Simulationen eines möglichen Aufbaus einer DLD Apparatur, durch welchen RBCs anhand ihrer Verformbarkeit sortiert werden könnten, durchgeführt. Die Ergebnisse weisen auf eine ausgeprägte räumliche Aufspaltung von gesunden RBCs und RBCs mit pathologischen Werten für deren Schubmodul auf.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Henry, Ewanewanhenry@hotmail.com
    Contributors:
    ContributionNameEmail
    AuthorHenry, Ewanewanhenry@hotmail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-76214
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Determinisitic Lateral DisplacementUNSPECIFIED
    Cell SortingUNSPECIFIED
    Particle SortingUNSPECIFIED
    Red Blood CellsUNSPECIFIED
    Dynamic BehaviourUNSPECIFIED
    MicrofluidicsUNSPECIFIED
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Theoretische Physik
    Language: English
    Date: 29 May 2017
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 24 April 2017
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 13 Jun 2017 16:57:34
    Referee
    NameAcademic Title
    Gompper, GerhardProf. Dr.
    Sperl, MatthiasProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7621

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