Gradient acoustic focusing for separation of bio-particles
- Reference number
- FFL18-0122
- Project leader
- Augustsson, Per
- Start and end dates
- 200401-250331
- Amount granted
- 12 000 000 SEK
- Administrative organization
- Lund University
- Research area
- Life Science Technology
Summary
We will study ultrasound-induced radiation forces on cells and in fluids to address major challenges in label-free processing and analysis of blood and other body fluids in point-of-care diagnostic devices, at the lab bench, and for integration in advanced lab equipment. To shorten the time from test to result in primary care there is an interest to shift from centralized labs to point-of-care and self-testing from a drop of blood. In the other end of the spectrum, current breakthroughs in advanced treatments in cancer immunotherapy is predicted to expand the market for instruments that can perform precise and gentle separation of subgroups of cells from large volumes of blood. Therefore, microscale technologies are sought for that can take in blood, and output results within minutes. The high precision and serial processing offered by microfluidics opens for fast and automated recovery of rare cell populations from blood, and accurate size separation of sub-micron biological particles, such as pathogens and exosomes. We will expose blood to resonant ultrasound to generate self-organizing configurations of the cells and thereby exploit a newly discovered acoustic volume force that stems from variations in the acoustic properties of the blood cells. To separate cells, we will tailor the cell-organization by altering the acoustic properties of the surrounding fluid by solute molecules, and by exploiting a novel concept of sound interaction with thermal gradients.
Popular science description
För att förkorta tiden från test till resultat inom vården finns intresse av att ersätta analyser på centrallaboratorier med patientnära analyser och självtestning från en droppe blod. I andra änden av spektrumet förebådar genombrott inom behandling av cancer en expansion av marknaden för utrustning för separation celler i stora blodvolymer. Därför söker man nu efter teknologi där blod kan processas inom några minuter. Det har länge varit känt att ultraljud kan användas som en kraft som kan separera och fånga in celler och partiklar från vätskor. Tidigare forskning har visat att exempelvis blodceller som pumpas genom en smal kanal kan sorteras om man bestrålar dem med ultraljud. Medan cellerna flyter fram genom kanalen knuffas de i sidled av ljudet och på så sätt kan celler av olika typ sorteras och samlas upp i olika utlopp. En begränsning med denna teknik har varit att man inte kunde använda den om cellerna är mycket tätt tillsammans som till t.ex. i vårt blod. Därför är detta projekt inriktat på att utveckla ultraljuds-separation som överkommer detta problem. Vi har nyligen upptäckt att när blod bestrålas av ultraljud så kommer blodcellerna packas tätt tillsammans av en ultraljudskraft och därefter börjar de olika typerna av celler omorganisera sig baserat på deras olika densitet och ljudhastighet. Detta kommer vi att utnyttja i projektet för att avskilja undergrupper av blodceller celler med hjälp av ultraljud. Ena annan begränsning med ultraljudsseparation har varit att tekniken inte kunnat användas för riktigt små partiklar, såsom bakterier och virus, som är av stort intresse inom medicin och biologi. Det finns även andra små partiklar i vårt blod, exosomer, som utsöndras av celler, som har rönt stort intresse på senare tid för deras förmodade roll som transportörer av kemisk information som påverkar många biologiska processer i vår kropp. En annan del av projektet är därför inriktat på att utveckla ultraljuds-separation även för mycket små partiklar. För att åstadkomma detta måste vi bland annat öka styrkan på ultraljudet hundrafaldigt eftersom dessa små partiklar påverkas mycket svagt av ljudet. I projektet ingår även att undersöka ett helt nytt fenomen så kallad termisk konvektion där ljudet interagerar med en mikroskopisk värmekälla så att ett lokalt strömningsfenomen uppstår. Sådana mikroflöden kan användas för att transportera och arrangera celler och nanopartiklar i framtidens medicinska diagnostikutrustning.