Magnetic-based cell manipulation in microfluidic devices

Abstract

Cell manipulation is the concept of altering cell movement. Different manipulation techniques have been demonstrated with microfluidic systems for various studies such as tissue engineering, circulating tumor cell (CTC) filtering, and other biomedical applications. For instance, cell patterning and filtering studies are being developed through different manipulation approaches in microfluidic platforms where one of these approaches is the magnetophoresis principle method. Positive and negative magnetophoresis can be utilized generally through labeling or non-labeling, respectively. In this thesis, two different cell manipulation platforms using negative magnetophoresis were developed for cell patterning and cell filtration applications. These platforms allow several advantages such as simple fabrication, easy control, and low cost. Compared to other devices, the developed microfluidic platforms do not require any labeling process for cells for magnetic manipulation. In the patterning platform, microparticle and cell patterns were formed inside a simple microfluidic channel with different tilted angles in <1.5 hours. Furthermore, in the filtration platform, large microparticles were separated from small microparticles with 98.25% trapping efficiency. Live/dead cell separation of human monocyte macrophage cells (U937) under different flow rates was also investigated. The suggested platforms could be useful for label-free magnetic cell patterning and filtering in biomedical applications.

Hücre manipülasyonu, hücre hareketini değiştirme kavramıdır. Hücreler farklı metodlar ile manipüle edilerek mikroakışkan sistemlerde doku mühendisliği, hücre filtreleme veya ayrıştırma ve diğer biyomedikal uygulamalar için geliştirilmektedir. Pozitif ve negatif manyetoforez, genel olarak sırasıyla etiketleme kullanılarak veya kullanılmadan elde edilebilir. Hücreler manyetik özelliklerine ve ortamın manyetik özelliklerine göre, mıknatıslar aracılığıyla uygulanan bir manyetik alanla manipüle edilir. Bu tezde, hücre desenleme ve hücre filtreleme uygulamaları için negatif manyetoforez kullanarak iki farklı hücre manipülasyon platformu geliştirilmiştir. Bu platformlar, üretimi basit, kontrolü kolay ve düşük maliyetli olmasıyla büyük avantajlar sağlar. Diğer yöntemlere kıyasla geliştirilen mikroakışkan platformlarda etiket kullanımı gerekli değildir. Desenleme platformunda, farklı eğime sahip mikroakışkan kanal kullanılarak 1,5 saatten daha kısa süre içinde mikroparçacık ve hücre desenleri oluşturulmuştur. Filtreleme platformunda ise büyük mikroparçacıklar küçük mikroparçaçıklardan %98,25 yakalama verimi ile ayrıştırılmışlardır. Aynı düzenek kullanılarak canlı/ölü makrofaj hücreleri (U937) farklı akış hızlarında ayrıştırılmıştır. Tasarlanan ve üç boyutlu yazıcı ile bastırılan platformlar biyomedikal uygulamalarda etiket gerektirmeden manyetik hücre desenleme ve filtreleme çalışmalarında kullanılabilir olduğu gösterilmiştir.