A design tool for inertial microfluidics-based microchips

Abstract

Sıvı biyopsi konseptinin temelini oluşturan hücre ayırma operasyonlarında mikroakışkan sistemler sıklıkla tercih edilmektedir. Hücre ayırma işlemleri, farklı kuvvetler uygulanarak ve hücrelerin farklı özelliklerinden yararlanılarak yapılabilir. Bunlar dielektroforetik, manyetik, akustik, optoforetik ve atalet kuvvetleridir. Bu kuvvetlerden yararlanmak ve bu kuvvetlerin yardımıyla hücreleri manipüle etmek için mikroakışkan kanalların hassas bir şekilde tasarlanması gerekir. Tasarımların çalışıp çalışmadığı deneysel testler veya sayısal modelleme programları yardımıyla öğrenilebilir. Deneysel olarak test etmek için mikroakışkan sistemi kurmak ve mikroakışkan çipi imal etmek gerekir. Bu son derece zaman alıcı bir süreçtir. Sayısal modelleme programlarının önemi burada ortaya çıkmaktadır. Sayısal modelleme programları kullanılarak mikroakışkan çip üretimine gerek kalmadan birden fazla tasarımı farklı koşul ve parametrelerle test etmek mümkündür. Sayısal modelleme programları mikroakışkan çip tasarımı için çok önemli bir alternatif olmasına rağmen, bu programların birkaç sınırlaması vardır. Öncelikle bu programlar yüksek işlemci frekansı kullanan programlardır ve verimli modelleme için yüksek özellikli bir bilgisayara ihtiyaç vardır. Bu tür bir bilgisayar ciddi bir maliyetle gelir. Ayrıca bu programlar kendi içinde fiyatları yüksek olan programlardır. Fiyatların yüksek olması bu programları kolay erişilebilir araçlar olmaktan çıkarıyor. Son olarak ve en önemlisi, bu programları kullanmak ciddi yazılım becerileri, teorik altyapı ve sonuçlardaki mantıksızlığı sezme yeteneği gerektirir. Bu çalışmada, spiral şekilli mikrokanallı mikroakışkan çip için bir tasarım aracı. Spiral mikrokanal şeklindeki mikroçipler, boyuta dayalı hücre ayırma gerçekleştirmek için atalet kuvvetlerinden yararlanır ve hücre ayırma uygulamalarında yaygın olarak kullanılır. Bu aracın sayısal modelleme programlarından farklı olarak, kullanıcılara geri bildirim verebilen, erişimi kolay, kullanımı kolay bir araç olması hedeflenmiştir. Tasarım aracı, kullanıcı tarafından tasarlanmış spiral mikrokanalda farklı boyutlardaki hücrelerin yanal konumlarını hesaplamak için spiral mikroakışkan kanallarla hücre ayırma çalışmalarından elde edilen verileri kullanır. Tasarım aracını kullanabilmek için, kullanıcının hedeflenen hücreler arası mesafe için birkaç parametreye ve ilk tahminlere sahip olması gerekir. Araç, parametre tahminlerini kullanarak hücreler arasındaki mesafeyi hesaplar ve hedeflenen mesafeyi karşılayıp karşılamadığını kontrol eder. Hedefe ulaşılırsa araç durur. ancak hedefe ulaşılmazsa araç daha yüksek akış değerleri deneyecek, hedefe ulaşmak için gerekli akış değerini bulacak ve kullanıcıya geri bildirimde bulunacaktır. Tasarım aracının etkinliğini görmek için farklı boyutlarda, eğrilik yarıçaplarında spiral mikro kanallar kullanılmış ve kanallar 3 farklı akış hızında test edilmiştir. Deneylerde, farklı boyutlardaki hücreleri temsil etmek için 2 farklı boyutta polistiren mikro boncuk kullanılmıştır. Deneylerden elde edilen sonuçların tekrarlanabilirliği kontrol edilmiş ve sonuçlar tasarım aracından elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar, deneysel sonuçlar ile tasarım aracından elde edilen sonuçlar arasında ~%10'luk bir fark ortaya çıkardı. Tasarım aracının kullandığı veri miktarının arttırılması ve aracın kullandığı hesaplama yöntemlerinin değiştirilmesi daha doğru sonuçlar verebilmek için ileriye dönük bir çalışma olarak değerlendirilebilir.

Microfluidic systems are frequently preferred for cell separation operations, which form the basis of the liquid biopsy concept. Cell separation processes can be done by applying different forces and taking advantage of different properties of cells. These are dielectrophoretic, magnetic, acoustophoretic, optophoretic and inertial forces. In order to take advantage of these forces and manipulate cells with the help of these forces, microfluidic channels must be designed with precision. Whether the designs work or not can be learned with experimental tests or with the help of numeric modeling programs. To test it experimentally, it is necessary to set up the microfluidic system and fabricate the microfluidic chip. This is an extremely time-consuming process. The importance of numeric modeling programs emerges here. By using numeric modeling programs, it is possible to test more than one design with different conditions and parameters without the need for microfluidic chip production. Although Numerical modeling programs are a very important alternative for microfluidic chip design, these programs have several limitations. First of all, these programs are programs that use high processer frequency, and a high-spec computer is needed for efficient modelling. This type of computer comes at a serious cost. In addition, these programs are programs with high prices in themselves. Having high prices makes these programs not easily accessible tools. Finally, and most importantly, using these programs require serious software skills, theoretical background, and the ability to sense illogicality in results. In this study, a design tool for microfluidic chip with spiral shape microchannel. Microchips with the shape of spiral microchannels, take advantage of inertial forces to perform size-based cell separation, and it is widely used for cell separation applications. Unlike numerical modeling programs, this tool is aimed to be an easy-to-access, easy-to-use tool that can give feedback to users. The design tool uses data from cell separation studies with spiral microfluidic channels to calculate the lateral positions of cells of different sizes in the user-designed spiral microchannel. To be able to use the design tool, the user must have a few parameters and initial estimates for the targeted inter-cell distance. The tool calculates the distance between cells using parameter estimates and checks whether it meets the targeted distance. If the target is reached, the tool stops. but if the target is not reached, the tool will try higher flow values, find the required flow value to reach the target and give feedback to the user. To see the efficiency of the design tool, spiral microchannels with different sizes, radius of curvatures was used, and channels were tested at 3 different flow rates. In the experiments, 2 different sizes of polystyrene microbeads were used to represent cells of different sizes. The reproducibility of the results obtained from the experiments was checked and the results were compared with the results obtained from the design tool. The comparisons revealed a ~10% difference between the experimental results and the results obtained from the design tool. Increasing the amount of data used by the design tool and changing the calculation methods used by the tool can be considered as a future work in order to give more accurate results.