Published October 11, 2022
| Version v1
Publication
Open
Design of a novel integrated microfluidic chip for continuous separation of circulating tumor cells from peripheral blood cells
- 1. University of Engineering and Technology Lahore
- 2. University of Central Punjab
Description
Abstract Cancer is one of the foremost causes of death globally. Late-stage presentation, inaccessible diagnosis, and treatment are common challenges in developed countries. Detection, enumeration of Circulating Tumor Cells (CTC) as early as possible can reportedly lead to more effective treatment. The isolation of CTC at an early stage is challenging due to the low probability of its presence in peripheral blood. In this study, we propose a novel two-stage, label-free, rapid, and continuous CTC separation device based on hydrodynamic inertial focusing and dielectrophoretic separation. The dominance and differential of wall-induced inertial lift force and Dean drag force inside a curved microfluidic channel results in size-based separation of Red Blood Cells (RBC) and platelets (size between 2–4 µm) from CTC and leukocytes (9–12.2 µm). A numerical model was used to investigate the mechanism of hydrodynamic inertial focusing in a curvilinear microchannel. Simulations were done with the RBCs, platelets, CTCs, and leukocytes (four major subtypes) to select the optimized value of the parameters in the proposed design. In first stage, the focusing behavior of microscale cells was studied to sort leukocytes and CTCs from RBCs, and platelets while viable CTCs were separated from leukocytes based on their inherent electrical properties using dielectrophoresis in the second stage. The proposed design of the device was evaluated for CTC separation efficiency using numerical simulations. This study considered the influence of critical factors like aspect ratio, dielectrophoretic force, channel size, flow rate, separation efficiency, and shape on cell separation. Results show that the proposed device yields viable CTC with 99.5% isolation efficiency with a throughput of 12.2 ml/h.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
السرطان التجريدي هو أحد الأسباب الرئيسية للوفاة على مستوى العالم. يمثل العرض التقديمي في مرحلة متأخرة، والتشخيص الذي يتعذر الوصول إليه، والعلاج تحديات شائعة في البلدان المتقدمة. يمكن أن يؤدي الكشف عن الخلايا السرطانية المنتشرة (CTC) وتعدادها في أقرب وقت ممكن إلى علاج أكثر فعالية. يمثل عزل رابع كلوريد الكربون في مرحلة مبكرة تحديًا بسبب انخفاض احتمال وجوده في الدم المحيطي. في هذه الدراسة، نقترح جهازًا جديدًا لفصل رابع كلوريد الكربون على مرحلتين وخالي من الملصقات وسريع ومستمر يعتمد على التركيز بالقصور الذاتي الهيدروديناميكي والفصل العازل للكهرباء. تؤدي هيمنة وتفريق قوة الرفع بالقصور الذاتي التي يسببها الجدار وقوة سحب دين داخل قناة مجهرية منحنية إلى الفصل القائم على الحجم لخلايا الدم الحمراء (RBC) والصفائح الدموية (الحجم بين 2–4 ميكرومتر) من CTC والكريات البيض (9–12.2 ميكرومتر). تم استخدام نموذج رقمي للتحقيق في آلية التركيز بالقصور الذاتي الهيدروديناميكي في قناة صغيرة منحنية. تم إجراء عمليات المحاكاة باستخدام كرات الدم الحمراء والصفائح الدموية و CTCs والكريات البيض (أربعة أنواع فرعية رئيسية) لتحديد القيمة المثلى للمعلمات في التصميم المقترح. في المرحلة الأولى، تمت دراسة سلوك التركيز للخلايا المجهرية لفرز الكريات البيض و CTCs من كرات الدم الحمراء، والصفائح الدموية بينما تم فصل CTCs القابلة للحياة عن الكريات البيض بناءً على خصائصها الكهربائية الكامنة باستخدام العزل الكهربائي في المرحلة الثانية. تم تقييم التصميم المقترح للجهاز لكفاءة فصل رابع كلوريد الكربون باستخدام المحاكاة العددية. نظرت هذه الدراسة في تأثير العوامل الحرجة مثل نسبة العرض إلى الارتفاع، وقوة العزل الكهربائي، وحجم القناة، ومعدل التدفق، وكفاءة الفصل، والشكل على فصل الخلايا. تظهر النتائج أن الجهاز المقترح ينتج CTC قابل للتطبيق مع كفاءة عزل بنسبة 99.5 ٪ بإنتاجية 12.2 مل/ساعة.Translated Description (French)
Résumé Le cancer est l'une des principales causes de décès dans le monde. La présentation tardive, le diagnostic inaccessible et le traitement sont des défis courants dans les pays développés. La détection et le dénombrement des cellules tumorales circulantes (CTC) le plus tôt possible pourraient conduire à un traitement plus efficace. L'isolement du CTC à un stade précoce est difficile en raison de la faible probabilité de sa présence dans le sang périphérique. Dans cette étude, nous proposons un nouveau dispositif de séparation CTC en deux étapes, sans étiquette, rapide et continu, basé sur la focalisation inertielle hydrodynamique et la séparation diélectrophorétique. La dominance et le différentiel de la force de portance inertielle induite par la paroi et de la force de traînée de Dean à l'intérieur d'un canal microfluidique incurvé entraînent une séparation basée sur la taille des globules rouges (RBC) et des plaquettes (taille comprise entre 2 et 4 µm) du CTC et des leucocytes (9-12,2 µm). Un modèle numérique a été utilisé pour étudier le mécanisme de la focalisation inertielle hydrodynamique dans un microcanal curviligne. Des simulations ont été effectuées avec les globules rouges, les plaquettes, les CTC et les leucocytes (quatre principaux sous-types) pour sélectionner la valeur optimisée des paramètres dans la conception proposée. Dans la première étape, le comportement de focalisation des cellules à petite échelle a été étudié pour trier les leucocytes et les CTC des globules rouges, et les plaquettes tandis que les CTC viables ont été séparés des leucocytes en fonction de leurs propriétés électriques inhérentes en utilisant la diélectrophorèse dans la deuxième étape. La conception proposée du dispositif a été évaluée pour l'efficacité de séparation CTC à l'aide de simulations numériques. Cette étude a examiné l'influence de facteurs critiques tels que le rapport d'aspect, la force diélectrophorétique, la taille du canal, le débit, l'efficacité de la séparation et la forme sur la séparation cellulaire. Les résultats montrent que le dispositif proposé donne un CTC viable avec une efficacité d'isolation de 99,5 % avec un débit de 12,2 ml/h.Translated Description (Spanish)
Resumen El cáncer es una de las principales causas de muerte a nivel mundial. La presentación tardía, el diagnóstico inaccesible y el tratamiento son desafíos comunes en los países desarrollados. La detección y el recuento de células tumorales circulantes (CTC) lo antes posible pueden conducir a un tratamiento más eficaz. El aislamiento de CTC en una etapa temprana es un desafío debido a la baja probabilidad de su presencia en la sangre periférica. En este estudio, proponemos un nuevo dispositivo de separación de CTC de dos etapas, sin etiqueta, rápido y continuo basado en el enfoque inercial hidrodinámico y la separación dielectroforética. El dominio y el diferencial de la fuerza de elevación inercial inducida por la pared y la fuerza de arrastre de Dean dentro de un canal microfluídico curvo dan como resultado la separación basada en el tamaño de los glóbulos rojos (RBC) y las plaquetas (tamaño entre 2–4 µm) de CTC y leucocitos (9–12.2 µm). Se utilizó un modelo numérico para investigar el mecanismo de enfoque inercial hidrodinámico en un microcanal curvilíneo. Se realizaron simulaciones con los glóbulos rojos, plaquetas, CTC y leucocitos (cuatro subtipos principales) para seleccionar el valor optimizado de los parámetros en el diseño propuesto. En la primera etapa, se estudió el comportamiento de enfoque de las células a microescala para clasificar los leucocitos y las CTC de los glóbulos rojos y las plaquetas, mientras que las CTC viables se separaron de los leucocitos en función de sus propiedades eléctricas inherentes mediante dielectroforesis en la segunda etapa. El diseño propuesto del dispositivo se evaluó para determinar la eficiencia de separación de CTC mediante simulaciones numéricas. Este estudio consideró la influencia de factores críticos como la relación de aspecto, la fuerza dielectroforética, el tamaño del canal, el caudal, la eficiencia de separación y la forma en la separación celular. Los resultados muestran que el dispositivo propuesto produce CTC viable con una eficiencia de aislamiento del 99,5% con un rendimiento de 12,2 ml/h.Files
s41598-022-20886-1.pdf.pdf
Files
(3.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:40d5c24e83fecb3a0b08479859bfaaba
|
3.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تصميم شريحة جديدة متكاملة من السوائل الدقيقة للفصل المستمر للخلايا السرطانية المنتشرة عن خلايا الدم الطرفية
- Translated title (French)
- Conception d'une nouvelle puce microfluidique intégrée pour la séparation continue des cellules tumorales circulantes des cellules du sang périphérique
- Translated title (Spanish)
- Diseño de un nuevo chip microfluídico integrado para la separación continua de células tumorales circulantes de células de sangre periférica
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4304193588
- DOI
- 10.1038/s41598-022-20886-1
References
- https://openalex.org/W1877732027
- https://openalex.org/W1965544560
- https://openalex.org/W1973618433
- https://openalex.org/W1978091112
- https://openalex.org/W1978142481
- https://openalex.org/W1979482595
- https://openalex.org/W1981926380
- https://openalex.org/W1982787814
- https://openalex.org/W1984736273
- https://openalex.org/W2005984824
- https://openalex.org/W2006197460
- https://openalex.org/W2012805828
- https://openalex.org/W2026914692
- https://openalex.org/W2029292064
- https://openalex.org/W2030162641
- https://openalex.org/W2044665398
- https://openalex.org/W2047272952
- https://openalex.org/W2048597124
- https://openalex.org/W2051572649
- https://openalex.org/W2057052704
- https://openalex.org/W2059024717
- https://openalex.org/W2060505370
- https://openalex.org/W2064198640
- https://openalex.org/W2077641281
- https://openalex.org/W2092241568
- https://openalex.org/W2094347969
- https://openalex.org/W2106361367
- https://openalex.org/W2107416801
- https://openalex.org/W2113430850
- https://openalex.org/W2117363919
- https://openalex.org/W2119494825
- https://openalex.org/W2119764457
- https://openalex.org/W2125051097
- https://openalex.org/W2139799027
- https://openalex.org/W2147447988
- https://openalex.org/W2154833576
- https://openalex.org/W2157755729
- https://openalex.org/W2160426727
- https://openalex.org/W2247357356
- https://openalex.org/W2296254988
- https://openalex.org/W2336053502
- https://openalex.org/W2514453868
- https://openalex.org/W2531142395
- https://openalex.org/W2569105985
- https://openalex.org/W2619402515
- https://openalex.org/W2624753024
- https://openalex.org/W2759729401
- https://openalex.org/W2789000098
- https://openalex.org/W2795527433
- https://openalex.org/W2799618021
- https://openalex.org/W2888308693
- https://openalex.org/W2911482083
- https://openalex.org/W2911942093
- https://openalex.org/W2922303988
- https://openalex.org/W2945891183
- https://openalex.org/W2957660778
- https://openalex.org/W2965486691
- https://openalex.org/W2984084687
- https://openalex.org/W3013038172
- https://openalex.org/W3014764370
- https://openalex.org/W3021741331
- https://openalex.org/W3023269709
- https://openalex.org/W3026227150
- https://openalex.org/W3047970984
- https://openalex.org/W3049573222
- https://openalex.org/W3083295733
- https://openalex.org/W3104279650
- https://openalex.org/W3107176457
- https://openalex.org/W355123850
- https://openalex.org/W4253260323