Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Trennung von Blutzellen im Mikrofluss

24.05.2012
Von Augsburger Physikern entwickelte Methode nutzt die Liftkraft im laminaren Fluss zur Separierung von roten Blutkörperchen und Blutplättchen. / Breite Anwendungsmöglichkeiten in "Lab-on-a-Chip"-Systemen zur medizinischen Diagnostik und zur Zellaufbereitung.

Eine neue Methode zur Auftrennung von Blutzellen hat die Mikrofluidikgruppe von Dr. Thomas Franke am Lehrstuhl für Experimentalphysik I der Universität Augsburg jetzt in den "Applied Physics Letters" vorgestellt.

Ein hydrodynamischer Effekt, die sogenannte Liftkraft, sorgt dafür, dass sich deformierbare Teilchen in winzigen Kanälen von der Größenordnung menschlicher Kapillaren von der Wand entfernen. Je nachdem wie groß oder deformierbar die Zellen sind, bewegen sie sich unterschiedlich schnell Richtung Kanalmitte. Dies führt am Ende des Mikrokanals zu einem Positionsunterschied, der zur Trennung der Zellen genutzt werden kann. Anwendungsmöglichkeiten dieser Methode liegen einerseits in der medizinischen Diagnose weit verbreiteter Krankheiten wie Malaria, Diabetes oder Bluthochdruck, andererseits lässt sie sich auch zur Aufbereitung von Zellen in Laboren nutzen.

Welche physikalischen Effekte spielen im Blutfluss eine Rolle? Wie verhalten sich rote Blutkörperchen in menschlichen Blutgefäßen? Was können wir daraus lernen und können wir diese Effekte sinnvoll nutzen? Antworten auf diese Fragen sucht das Team von Franke bereits seit einigen Jahren. Mikrofluidik, die Wissenschaft von der Strömung kleiner Flüssigkeits- oder Gasmengen, spielt dabei eine wichtige Rolle. In Kanälen der Größe eines menschlichen Haares treten nämlich Effekte auf, die wir aufgrund unserer makroskopischen Alltagserfahrungen nicht kennen und so nicht erwarten.

Ein Beispiel hierfür ist der laminare Fluss, in dem Flüssigkeiten wirbelfrei nebeneinander fließen können. Die Flüssigkeit fließt hierbei in Schichten, die sich nicht miteinander vermischen. Ein gänzlich neuer Effekt tritt jedoch auf, wenn sich deformierbare Objekte, wie beispielsweise biologische Zellen in einem solchen laminaren Fluss bewegen. Diese können sich nämlich sehr wohl quer zur Strömungsrichtung bewegen, und so in benachbarte Strömungsschichten gelangen. In der Nähe einer begrenzenden Wand ist dieser Effekt immer so gerichtet, dass die Zellen sich von dieser entfernen. Dieser hydrodynamische Lift-Effekt ist desto stärker ausgeprägt, je größer und weicher die Zellen sind.

Im menschlichen Körper führt dies dazu, dass die großen und weichen roten Blutkörperchen zumeist in der Mitte der Blutgefäße fließen, was den Strömungswiderstand enorm verringert, während die (kleineren) Blutplättchen näher an der Wand bleiben, wo sie im Falle einer Verletzung für den Wundverschluss gebraucht werden.

Imitation des Blutflusses auf einem Mikrochip

Dass dieser Effekt bionisch, also auf dem Weg einer technischen Umsetzung biologischer Prinzipien, auf einem kleinen Chip imitiert und zum Trennen von Zellen genutzt werden kann, haben die Augsburger Wissenschaftler nun folgendermaßen experimentell nachgewiesen: Sie injizierten eine Mischung aus Blutzellen in einen rechteckigen Mikrokanal mit einer Kantenlänge von 100 Mikrometern im Querschnitt (vgl. Abb. 1). Dort werden die Zellen zunächst von einem weiteren Zufluss an den Kanalboden gedrückt, bevor sie sich auf den Weg durch den 2 Zentimeter langen Kanal machen. Am ersten Messpunkt (x1) sind die roten Blutkörperchen und die Blutplättchen noch durchmischt und im Mittel auf gleicher Höhe. Auf ihrem Weg durch den Kanal steigen die roten Blutkörperchen dann aber deutlich weiter zur Kanalmitte hin als die Blutplättchen, so dass Blutkörperchen und Blutplättchen am Punkt x2 also voneinander getrennt werden können. Dass dieser Effekt nicht nur von der Größe der Zellen abhängt, sondern auch von ihrer Deformierbarkeit und Form, konnte durch die erfolgreiche Trennung von Blutplättchen und gleich großen Polystyrolkügelchen nachgewiesen werden.

"Der große Vorteil unserer Methode ist, dass sie sich in Form eines Einwegartikels umsetzen lässt und zum Antrieb des Flusses nicht einmal eine Pumpe benötigt wird", erläutert Thomas Geislinger, Erstautor der Veröffentlichung. Das wenige Zentimeter große System erfülle damit die Kriterien für die Integration in sogenannte "Lab-on-a-Chip"-Systeme, es werde sich also als Teil eines kleinen Labors auf einem einzigen Mikrochip nutzen lassen.

Solche Minilabore finden in der Medizin zur Diagnose von zahlreichen Krankheiten wie Malaria, Diabetes oder Bluthochdruck Verwendung. Da sie billig sind und fast überall betrieben werden können, ist ihre Entwicklung insbesondere für die medizinische Versorgung in Entwicklungsländern von enormer Bedeutung.
Originalveröffentlichung:

T. M. Geislinger, B. Eggart, S. Braunmüller, L. Schmid, and T. Franke, Separation of blood cells using hydrodynamic lift, Applied Physics Letters, Vol. 100, p. 183701 (2012); DOI: 10.1063/1.4709614 ( http://apl.aip.org/resource/1/applab/v100/i18/p183701_s1 )

Ansprechpartner:
Dipl.-Phys. Thomas Geislinger
Microfluidics and Biological Physics Group
Experimentalphysik I
Universität Augsburg
Telefon +49(0)821-598-3311
thomas.geislinger@physik.uni-augsburg.de

PD Dr. Thomas Franke
Group Leader Microfluidics and Biological Physics
Experimentalphysik I
Universität Augsburg
Telefon: +49 (0)8 21 598-3312
thomas.franke@physik.uni-augsburg.de

Klaus P. Prem | idw
Weitere Informationen:
http://www.physik.uni-augsburg.de/exp1/mitarbeiter/franke_thomas/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht TU Dortmund erstellt hochgenaues 3D-Modell vom Rover-Landeplatz auf dem Mars
18.09.2019 | Technische Universität Dortmund

nachricht Rostock Scientists Achieve Breakthrough in Quantum Physics
18.09.2019 | Universität Rostock

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Nervenzellen feuern Hirntumorzellen zum Wachstum an

Heidelberger Wissenschaftler und Ärzte beschreiben aktuell im Fachjournal „Nature“, wie Nervenzellen des Gehirns mit aggressiven Glioblastomen in Verbindung treten und so das Tumorwachstum fördern / Mechanismus der Tumor-Aktivierung liefert Ansatzpunkte für klinische Studien

Nervenzellen geben ihre Signale über Synapsen – feine Zellausläufer mit Kontaktknöpfchen, die der nächsten Nervenzelle aufliegen – untereinander weiter....

Im Focus: Stevens team closes in on 'holy grail' of room temperature quantum computing chips

Photons interact on chip-based system with unprecedented efficiency

To process information, photons must interact. However, these tiny packets of light want nothing to do with each other, each passing by without altering the...

Im Focus: Happy hour für die zeitaufgelöste Kristallographie

Ein Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD), der Universität Hamburg und dem European Molecular Biology Laboratory (EMBL) hat eine neue Methode entwickelt, um Biomoleküle bei der Arbeit zu beobachten. Sie macht es bedeutend einfacher, enzymatische Reaktionen auszulösen, da hierzu ein Cocktail aus kleinen Flüssigkeitsmengen und Proteinkristallen angewandt wird. Ab dem Zeitpunkt des Mischens werden die Proteinstrukturen in definierten Abständen bestimmt. Mit der dadurch entstehenden Zeitraffersequenz können nun die Bewegungen der biologischen Moleküle abgebildet werden.

Die Funktionen von Biomolekülen werden nicht nur durch ihre molekularen Strukturen, sondern auch durch deren Veränderungen bestimmt. Mittels der...

Im Focus: Happy hour for time-resolved crystallography

Researchers from the Department of Atomically Resolved Dynamics of the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) at the Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg, the University of Hamburg and the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) outstation in the city have developed a new method to watch biomolecules at work. This method dramatically simplifies starting enzymatic reactions by mixing a cocktail of small amounts of liquids with protein crystals. Determination of the protein structures at different times after mixing can be assembled into a time-lapse sequence that shows the molecular foundations of biology.

The functions of biomolecules are determined by their motions and structural changes. Yet it is a formidable challenge to understand these dynamic motions.

Im Focus: Modulare OLED-Leuchtstreifen

Das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, ein Anbieter von Forschung und Entwicklungsdienstleistungen auf dem Gebiet der organischen Elektronik, stellt auf dem International Symposium on Automotive Lighting 2019 (ISAL), vom 23. bis 25. September 2019, in Darmstadt, am Stand Nr. 37 erstmals OLED-Leuchtstreifen beliebiger Länge mit Zusatzfunktionalitäten vor.

Leuchtstreifen für das Innenraumdesign kennt inzwischen nahezu jeder. LED-Streifen sind als Meterware im Baumarkt um die Ecke erhältlich und ebenso oft als...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Woher kommt der Nordsee-Plastikmüll

18.09.2019 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - November 2019

18.09.2019 | Veranstaltungen

Sichere Schnittstellen: API-Security

18.09.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Forscher entwickeln "Landkarte" für Krebswachstum

19.09.2019 | Medizin Gesundheit

Nervenzellen feuern Hirntumorzellen zum Wachstum an

19.09.2019 | Biowissenschaften Chemie

Räume voller Möglichkeiten für Innovationen

19.09.2019 | Interdisziplinäre Forschung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics