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| 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 |
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