Die auf akustischen Oberflächenwellen (SAW - Surface acoustic wave) basierende Akustofluidik kombiniert Mikrofluidik mit aktiven mikroakustischen Feldern. Damit lassen sich zahlreiche Lab-on-a-Chip-Funktionen realisieren, die von der Flüssigkeitsmanipulation einschließlich Mischen, Tröpfchen- und Aerosolerzeugung bis zur Manipulation von Zellen und (Bio-)Partikeln reichen.
SAW-basierte Akustofluidik und Biomedizin
The sorting of specific cells and particles from complex body fluids, i.e. blood, is a critical step in personalized medicine and preparative diagnostics. Current methods reaching from density gradient centrifugation to size-exclusion chromatography are often carried out in a stepwise procedure combining different techniques. Future integrated solutions for handheld or PoC devices, however, require a technology for cell and particle fractionation without the need for sample pre- or posttreatment or cost intensive media, respectively, and with a high cell purity and recovery.
Surface acoustic wave (SAW)-based acoustofluidics is a promising technology to meet this demand, and devices with polydimethylsiloxane (PDMS) microchannels have already demonstrated the ability to manipulate particles and cells. Still, the complexity in fabrication of microchannels on a wafer substrate is a current limit in order to mass produce chips for biomedical purposes.
Innovative Akustofluidik-Lösungen von SAWLab Saxony
Am SAWLab Saxony, dem Kompetenz- und Anwendungszentrum für akustoelektronische Grundlagen, Technologien und Bauelemente des Leibniz-IFW Dresden (www.SAWLab-Saxony.de), haben wir eine SAW-basierte akustofluidische Plattform entwickelt, die auf lithographisch definierten, auf dem Chip integrierten mikrofluidischen Kanälen basiert. Dadurch soll eine präzise und zuverlässige Produktion im großen Maßstab ermöglicht werden [1, 2]. Um biomedizinisch relevante Zellen und Partikel aus komplexen Flüssigkeiten zu fraktionieren, wurde ein Chip-Layout bestehend aus zwei Stufen mit je einem Interdigitalwandler-(IDT)-Paar entwickelt.
Das von diesen IDT-Paaren erzeugte akustische Feld generiert einen Druckgradienten in der Mikrokanalflüssigkeit, wodurch die Zellen entsprechend ihren intrinsischen Eigenschaften beeinflusst werden können. In einer ersten Stufe werden die Zellen und Partikel fokussiert; in der zweiten Stufe werden sie je nach Größe, Dichte, Form oder Kompressibilität voneinander getrennt. Das Layout-Design wurde durch Messung der SAW-Amplitudenverteilung im offenen Mikrokanal verifiziert. Hierfür kam ein Laser-Doppler-Vibrometer (UHF 120, Polytec GmbH) zum Einsatz (siehe Abb. 2).
Sortierung von Blutzellen
Mit diesem Chiptyp haben wir die Trennung von Blutbestandteilen, d. h. die Sortierung von Erythrozyten und Thrombozyten, demonstriert (Abb. 1)[3]. Eine Modelllösung von Erythrozyten und Thrombozyten in Vollblutkonzentration wurde durch den mittleren Kanaleinlass zugeführt. Zusätzlich wurde ein Hüllstrom angelegt. Zunächst wurden alle Zellen in der Mitte des Kanals fokussiert, anschließend wurden die größeren Erythrozyten an die Seiten des Mikrokanals im akustischen Feld gelenkt. An den seitlichen Auslässen konnten so die Erythrozyten gesammelt und analysiert werden, im mittleren Auslass die Thrombozyten. Insgesamt konnten die Thrombozyten um den Faktor 7,7 aufkonzentriert werden mit einer Reinheit von 86% und einem Durchsatz von 45.000 Zellen/Sek., was es zur derzeit fortschrittlichsten zweistufigen SAW-basierten Technologie zur Thrombozytensortierung macht.
References
1. Winkler, A., et al., Compact SAWaerosol generator. Biomedical Microdevices, 2017. 19(1): p. 10.
2. Winkler, A., et al., SAW-based fluid atomization using mass-producible chip devices. Lab on a Chip, 2015. 15(18): p. 3793-3799.
3.Richard, C., et al., Blood platelet enrichment in mass-producible surface acoustic wave (SAW) driven microfluidic chips. Lab on a Chip, 2019. 19(24): p. 4043-4051.
