Webbläsaren som du använder stöds inte av denna webbplats. Alla versioner av Internet Explorer stöds inte längre, av oss eller Microsoft (läs mer här: * https://www.microsoft.com/en-us/microsoft-365/windows/end-of-ie-support).

Var god och använd en modern webbläsare för att ta del av denna webbplats, som t.ex. nyaste versioner av Edge, Chrome, Firefox eller Safari osv.

Acoustic Forces in Cytometry and Biomedical Applications: Multidimensional Acoustophoresis

Författare

  • Carl Grenvall

Summary, in Swedish

Popular Abstract in Swedish

Vilken musiksmak har blodceller?



Forskningen som presenteras i denna avhandling undersöker och drar nytta av hur olika celler uppför sig när de utsätts för ljud. På samma sätt som människor uppskattar olika sorters musik så reagerar olika typer av celler annorlunda beroende på vilka ljud de utsätts för. Cellerna är dessutom ganska konservativa. När de utsätts för ett visst ljud så dansar eller rör de därför på sig på ett väldigt förutsägbart sätt.



Varför har jag då ägnat flera år åt att forska på hur celler reagerar på ljud? Jo, eftersom cellerna är väldigt små kan de fås att röra på sig i väldigt små utrymmen. Detta underlättar i sin tur för mig i min forskning som går ut på att förflytta celler med hjälp av ljudkrafter med målet att förbättra och förminska system som används för cellsortering eller analys. Metoden kallas akustofores.



Jag har bland annat utvecklat ett sorteringschip som kan minska den tid det tar att sortera och sedan analysera olika typer av blodceller var för sig. Ofta sorteras blodet i stora centrifuger på sjukhusens laboratorier. Innan centrifugeringen kan ske måste dock blodprovet förbehandlas och efter centrifugeringen krävs det fingerfärdig personal för att plocka ut rätt sorts celler. I mitt sorteringschip, som inte är större än en femkrona, går det att sortera olika typer av blodceller från varandra med bättre resultat än de stora centrifugerna utan att det går åt en massa manuell arbetstid.



I avhandlingen visar jag även hur det går att förbättra analysmetoder inom livsmedelsindustrin. Jag presenterar ett mikrochip där celler och fett i mjölk separaras med akustofores vilket gör det möjligt att miniatyrisera de redskap som används för kvalitetskontroll av mjölk. Istället för att mjölkbonden ska behöva vänta på resultat från mejeriernas stora mjölkanalysinstrument så kan hen själv kontrollera mjölken på gården och direkt få reda på om en viss ko till exempel blivit sjuk. På så vis får inte bara kon snabbare behandling utan bonden slipper också ge antibiotika till de andra korna helt i onödan. Således kan vi minska mängden antibiotika i den mjölk vi ska dricka, korna blir friska snabbare och bonden sparar pengar. Samtidigt minskas användandet av både antibiotika och onaturliga fettlösningsmedel inom mejeriindustrin.



För att ytterligare kunna förminska analysinstrumenten så har jag även utvecklat ett litet chip som inte bara sorterar cellerna utan även analyserar dem direkt. Tekniken går ut på att mäta cellernas storlek eller se vilken typ av celler det är med hjälp av svaga elektriska strömmar. Normalt sett krävs det avancerade elektrodlösningar för att kunna utföra elektrisk cellanalys (impedansspektroskopi) med hög noggrannhet. I mikrochippet används ljudkrafter för att placera cellerna på en bestämd plats i chippet vilket gör det möjligt att använda enkla elektrodkonfigurationer för att analysera dem. I likhet med resten av forskningen jag presenterar så gör även detta chip det möjligt att utveckla små, billiga eller handburna instrument.



Resultaten av min forskning är viktiga eftersom de gör det enklare och billigare för samhället att upptäcka sjukdomar eller genomföra grundläggande forskning på olika celltyper. Det är dock inte bara Sverige eller andra länder med välutvecklad infrastruktur för hälsovård eller livsmedelkontroll som kan dra nytta av mina forskningsresultat. I Kina ökar till exempel mjölkdrickandet kraftigt samtidigt som det inte finns några bra rutiner för kvalitetskontroll och i Indien där det både produceras och dricks mest mjölk i världen har inte alla råd med bra analysinstrument. Genom att göra det möjligt för bönder och statliga verk i dessa länder att få tillgång till billiga handburna ”point-of-care” instrument kan min teknik göra stor nytta.



Billiga ”point-of-care” instrument är även till stor nytta för hälsovårdsarbetare i fattiga länder. De skulle kunna använda handburna medicinska instrument för att upptäcka och behandla sjukdomar på landsbygden och på så sätt förhindra spridning av epedemier. Med det miniatyriserade blodsorteringsinstrumentet som jag presenterar här skulle man till exempel kunna mäta förhållandet mellan olika vita blodkroppar i ett blodprov och på så sätt kanske avgöra om en patient lider av HIV eller andra sjukdomar.



Bakgrunden till att vi på institutionen för Biomedicinsk Teknik vid Lunds universitet bedriver denna typ av forskning är att vi sedan flera årtionden har forskat på ljudets egenskaper och vidareutvecklat de apparater som krävs för att alstra och använda ljud i olika applikationer, med speciell inriktning på ultraljud, dvs ljud med frekvenser över 20 000 Hz. Inom ramen för forskningen på vår institution utvecklades under 1950- och 60-talet det medicinska ultraljudet som idag är en av de viktigaste diagnostikmetoderna på sjukhus världen över. Den som bedrev denna forskning i Lund var Hellmuth Hertz, den första professorn på vår institution. Det medicinska ultraljudet alstras med hjälp av kristaller som vibrerar i hög frekvens. Hellmuth Hertz använde senare samma sorts kristaller för att stabilisera droppbildningen i de första bläckstråleskrivarna.



Arbetet med medicinska applikationer för ultraljud har fortsatt på institutionen och nyligen presenterade vi en metod för att detektera cirkulerande tumörceller som bygger på samma teknik som jag använder i den här avhandligen. Inom cancerforskningen har det på senare år visat sig att dessa celler kan indikera att en cancertumör har spridit sig. Genom att upptäcka de cirkulerande tumörcellerna kan man då i ett tidigt skede sätta in rätt sorts behandling för patienten. Eftersom metoden inte bara möjliggör små utan även relativt billiga analysinstrument hoppas vi att den ska leda till att fler kontroller genomförs och således minska antalet patienter som inte får rätt behandling från början.



Den typ av kristaller som Hellmuth Hertz använde när han uppfann det medicinska ultraljudet använder jag idag för att alstra de ultraljudskrafter som genom akustofores sorterar och flyttar cellerna till olika positioner i mina mikrochip. Genom att dra nytta av de senaste årtiondenas framsteg inom mikrofabrikation kan jag tillverka små flödeskanaler i mikrochippen där cellerna i till exempel mjölk, vatten eller blod kan adresseras till olika utlopp eller positioner. Ljudvågor breder ut sig genom tryckvariationer. Det är dessa tryckvariationer som får oss att höra ljud genom att trumhinnan rör på sig när den utsätts för tryckvariationen i ljudvågen. På samma sätt använder jag krafterna som alstras av tryckvariationerna i mina flödeskanaler för att röra på celler och andra små partiklar. Genom att fästa vibrerande piezokeramiska kristaller på mikrochippet kan ljudet ledas in i flödeskanalen. Genom att anpassa ljudfrekvensen (oftast runt 2 MHz) till flödeskanalerns storlek kan jag sedan skapa stående ultraljudsvågor, dvs ljudekon som studsar från vägg till vägg, eller mellan tak och botten i kanalerna, utan att tappa nämnvärt mycket energi. De stående vågorna orsakar en dramatisk ökning av ljudkrafterna inne i kanalen vilket gör det möjligt att snabbt flytta cellerna till bestämda positioner i flödeskanalen. Ljudkraften påverkar cellerna olika beroende på deras storlek, densitet och kompressibilitet. Genom att anpassa ljudkrafterna och kanalernas utformning efter olika celltyper kan jag sedan sortera dem från varandra eller fokusera dem i väldigt exakta positioner i kanalen.



Hur var det då med blodcellernas musiksmak? Jo, i en 375 mikrometer bred kanal blir det full fart på dem när de utsätts för musik i form av 2 MHz ultraljud.

Publiceringsår

2014

Språk

Engelska

Publikation/Tidskrift/Serie

ISRN: LUTEDX/TEEM – 1096 – SE Report: 3/14

Dokumenttyp

Doktorsavhandling

Förlag

Department of Biomedical Engineering, Lund university

Ämne

  • Medical Engineering

Nyckelord

  • Acoustophoresis
  • Microfluidics
  • Ultrasound
  • Multinode
  • Cell Sorting
  • Particle Positioning
  • Cytometry
  • Lab-on-a-Chip
  • µTAS
  • Binary Separation
  • Acoustic Barriers
  • Acoustic Particle Manipulation
  • Acoustic Standing Waves
  • Blood Separation
  • Milk Analysis

Status

Published

Handledare

ISBN/ISSN/Övrigt

  • ISBN: 978-91-7623-194-4 (print)
  • ISBN: 978-91-7623-195-1 (pdf)

Försvarsdatum

5 december 2014

Försvarstid

10:15

Försvarsplats

Lecture hall E:1406, E-building, Ole Römers väg 3, Lund University, Faculty of Engineering, LTH

Opponent

  • Steven Graves (Dr, Assoc. Prof.)