High-Throughput Manipulation of Micro- and Nanoparticles Using Elasto-Inertial Microfluidics for Environmental and Biomedical Applications

QC 2025-02-06

Abstract

Partiklar i storleksintervallet mikro- och nanometer förekommer i miljön (mikroplaster, nanoplaster etc.) och i kroppar hos levande organismers (celler, bakterier, tumörer, exosomer etc.) i olika former och strukturer. Oavsett sammansättning behöver dessa partiklar manipuleras för både miljö- och biomedicinska tillämpningar.

I både naturen och i våra vardagliga liv omges vi av mikro- och nanoplaster, och deras närvaro medför potentiella risker för både miljö och levande organismers hälsa. Ursprungligen utvecklades plaster med sina industriella fördelar, såsom låg produktionskostnad och mångsidighet, i fokus. Emellertid har det uppdagats att nedbrytningen lett till små partiklar som är svåra att upptäcka och kontrollera. Dessa partiklar har potential att tränga in i kroppen eller stanna kvar i naturen i hundratals år. Det är därför avgörande att kunna upptäcka, identifiera och analysera dessa partiklar för att fastställa i vilken utsträckning de utgör fara. Den globala ökningen av plastproduktion har lett till en ökande förekomst av mikro- och nanoplaster i miljön. Avsaknaden av standardiserade hanteringsmetoder försvårar insatserna för att hantera deras miljöpåverkan. Den nuvarande situationen, tillsammans med prognoserna för de kommande åren, verkar dyster och får forskare och lagstiftare att intensifiera sina ansträngningar för att utveckla och implementera bättre lösningar.

Närvaro eller deras koncentrationsnivån av biologiska partiklar, såsom bakterier, blodplättar, cirkulerande tumörceller eller extracellulära vesiklar, i kroppsvätskor och vävnader, innehåller viktig information om en levande organism. Isolering av dessa partiklar från blod eller plasma är ett viktigt steg i nödvändiga analyser för att fastställa cellens eller kroppens aktuella tillstånd. Hög genomströmning och högupplöst partikelmanipulation behövs för diagnostiska och terapeutiska tillämpningar.

I denna avhandling presenterade vi nya mikrofluidiska enheter med stort höjd-/breddförhållande, baserade på elasto-inertiell mikrofluidik. Dessa enheter visar sin förmåga att manipulera både mikro- och nanoplaster samt biologiska partiklar.

I Artikel I rapporterade vi om raka mikrokanaler med stort höjd-/breddförhållande och endast ett inlopp, som innehåller två sektioner: en fokuseringssektion och en migrationssektion. Syftet var att fokusera mikropartiklar i fokuseringssektionen och sedan separera förfokuserade partiklar baserat på deras storlek i migrationssektionen. Dessutom presenterade vi en omfattande studie av partikel-fokusering och undersökte alla parametrar som påverkar denna process. Slutligen visade vi hur systemets genomströmning kan ökas genom att öka kanalens djup. De presenterade resultaten visar potentialen för mikrokanaler med stort höjd/breddförhållande i elasto-inertiella mikrofluidiska system för tillämpningar som kräver höggenomströmning och högupplöst partikelseparation.

I Artikel II presenterade vi mikrokanaler med stort höjd/breddförhållande och en smalare kanalbredd än i första studien. Här visade vi för första gången fokusering av submikronpartiklar ned till 25 nm med hjälp av elasto-inertiell mikrofluidik. Dessutom bekräftade vi resultaten med biologiska nanopartiklar, såsom liposomer och exosomer. Fokusering av så små biologiska partiklar i en kostnadseffektiv mikrofluidisk enhet har stor potential för att utveckla ytterligare partikelmanipuleringsstrategier inom biomedicinska tillämpningar.

I Artikel III presenterade vi en metod som kombinerar elasto-inertiell mikrofluidik och optisk koherensmikroskopi. En typisk elasto-inertiell mikrofluidikmetod använder fluorescensmärka partiklar och ett fluorescensmikroskop. En sådan uppsättning ger dock endast information i två dimensioner. Genom att använda optisk koherensmikroskopi får man information om den tredje dimensionen i en mikrofluidisk kanal, vilket är avgörande för att förstå partikelrörelser i viskoelastiska vätskor.

I Artikel IV rapporterade vi om en ny akustofluidisk enhet kallad EchoGrid. Denna enhet användes för att anrika mikroplaster vid höga flödeshastigheter, vilket kan användas för provberedning i miljöapplikationer. Dessutom utvecklade vi en metod som använde kiseldioxidpartiklar för prover med lågkoncentration av mikroplaster.

I Artikel V förbättrade vi resultaten från Artikel IV och riktade in oss på att fånga nanoplaster genom att påverka det akustiska fältet och flödeslinjerna i proverna. Metoden baserades på EchoGrid-enheten och vinkeln på transducern som integrerades i enheten. Vi använde beräkningsmetoder för att justera vinkeln och demonstrerade fångsten av nanoplaster ned till 25 nm med hög genomströmning.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-359616