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
Die Sortierung spezifischer Zellen und Partikel aus komplexen Körperflüssigkeiten wie z. B. Blut ist ein entscheidender Schritt in der personalisierten Medizin und präparativen Diagnostik. Derzeitige Methoden, angefangen bei der Dichtegradientenzentrifugation bis hin zur Größenausschlusschromatographie, werden häufig in einem schrittweisen Verfahren durchgeführt, das verschiedene Techniken kombiniert. Künftige integrierte Lösungen für Handheld- oder Point-of-Care-Geräte erfordern jedoch eine Technologie zur Zell- und Partikelfraktionierung, die ohne Vor- oder Nachbehandlung der Proben bzw. ohne kostenintensive Medien auskommt und eine hohe Zellreinheit und -rückgewinnung bietet.
Die auf akustischen Oberflächenwellen (SAW) basierende Akustofluidik ist eine vielversprechende Technologie für diesen Bedarf; Bauteile mit Mikrokanälen aus Polydimethylsiloxan (PDMS) haben bereits ihre Fähigkeit zur Manipulation von Partikeln und Zellen unter Beweis gestellt. Allerdings stellt die Komplexität der Fertigung von Mikrokanälen auf einem Wafersubstrat derzeit noch ein Hindernis dar, wenn es um die Massenproduktion von Chips für biomedizinische Zwecke geht.
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.
Referenzen
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.
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