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 Belle II liefert erste Ergebnisse: Auf der Suche nach dem Z‘-Boson
06.04.2020 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Festkörperphysik: Vorhersage der Quantenphysik experimentell nachgewiesen
06.04.2020 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

In vielen Bereichen spielen „Elektrolyte“ eine wichtige Rolle: Sie sind bei der Speicherung von Energie in unserem Körper wie auch in Batterien von großer Bedeutung. Um Energie freizusetzen, müssen sich Ionen – geladene Atome – in einer Flüssigkeit, wie bspw. Wasser, bewegen. Bisher war jedoch der präzise Mechanismus, wie genau sie sich durch die Atome und Moleküle der Elektrolyt-Flüssigkeit bewegen, weitgehend unverstanden. Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun gezeigt, dass der durch die Bewegung von Ionen bestimmte elektrische Widerstand einer Elektrolyt-Flüssigkeit sich auf mikroskopische Schwingungen dieser gelösten Ionen zurückführen lässt.

Kochsalz wird in der Chemie auch als Natriumchlorid bezeichnet. Löst man Kochsalz in Wasser lösen sich Natrium und Chlorid als positiv bzw. negativ geladene...

Im Focus: When ions rattle their cage

Electrolytes play a key role in many areas: They are crucial for the storage of energy in our body as well as in batteries. In order to release energy, ions - charged atoms - must move in a liquid such as water. Until now the precise mechanism by which they move through the atoms and molecules of the electrolyte has, however, remained largely unknown. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research have now shown that the electrical resistance of an electrolyte, which is determined by the motion of ions, can be traced back to microscopic vibrations of these dissolved ions.

In chemistry, common table salt is also known as sodium chloride. If this salt is dissolved in water, sodium and chloride atoms dissolve as positively or...

Im Focus: Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elektrischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben dieses Phänomen, das uns auch in unserem Alltag begleitet, nun detailliert untersucht. Sie entwickelten eine Methode zur Quantifizierung der Ladungserzeugung und entwickelten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der beobachtete Effekt eine Möglichkeit zur Energieerzeugung und ein wichtiger Baustein zum Verständnis der Reibungselektrizität sein.

Wassertropfen, die über nicht leitende Oberflächen gleiten, sind überall in unserem Leben zu finden: Vom Tropfen einer Kaffeemaschine über eine Dusche bis hin...

Im Focus: Harnessing the rain for hydrovoltaics

Drops of water falling on or sliding over surfaces may leave behind traces of electrical charge, causing the drops to charge themselves. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz have now begun a detailed investigation into this phenomenon that accompanies us in every-day life. They developed a method to quantify the charge generation and additionally created a theoretical model to aid understanding. According to the scientists, the observed effect could be a source of generated power and an important building block for understanding frictional electricity.

Water drops sliding over non-conducting surfaces can be found everywhere in our lives: From the dripping of a coffee machine, to a rinse in the shower, to an...

Im Focus: Quantenimaging: Unsichtbares sichtbar machen

Verschränkte Lichtteilchen lassen sich nutzen, um Bildgebungs- und Messverfahren zu verbessern. Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hat eine Quantenimaging-Lösung entwickelt, die in extremen Spektralbereichen und mit weniger Licht genaueste Einblicke in Gewebeproben ermöglichen kann.

Optische Analyseverfahren wie Mikroskopie und Spektroskopie sind in sichtbaren Wellenlängenbereichen schon äußerst effizient. Doch im Infrarot- oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium AWK’21 findet am 10. und 11. Juni 2021 statt

06.04.2020 | Veranstaltungen

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

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

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium AWK’21 findet am 10. und 11. Juni 2021 statt

06.04.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

06.04.2020 | Energie und Elektrotechnik

Virtueller Roboterschwarm auf dem Mars

06.04.2020 | Informationstechnologie

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