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Mikrofluidik-Chip-Architekturen für eine Zell-Sortieranlage basierend auf der Elektrowetting-Technologie

Microfluidic chip architectures for a cell sorter based on the electrowetting technology
 
: Schreiber, Fedor; Kahnert, Stefan; Goehlich, Andreas; Greifendorf, Dieter; Bartels, Frank; Janzyk, Udo; Lennartz, Klaus; Kirstein, Uwe; Rennings, Andreas; Küppers, Ralf; Erni, Daniel

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Technisches Messen : TM 83 (2016), Nr.5, S.274-288
ISSN: 0340-837X
ISSN: 0171-8096 (Print)
ISSN: 2196-7113 (Online)
Deutsch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer IMS ()
Mikrofluidik; Elektrowetting; CMOS Technologie; Fluoreszenzanalyse; Zellsortierung; Zytometrie; FACS; Sorterarchitektur; physikalischer Sortieralgorithmus; fluiddynamische Simulationen; cell sorting; CMOS technology; computational fluid dynamics; cytometry; fluorescence analysis; microfluidic; physical sorting; sorter architecture

Abstract
In diesem Beitrag präsentieren wir die Entwicklung verschiedener Sortieralgorithmen bzw. -topologien für eine auf einem Mikrofluidik-Chip basierende Zell-Sortieranlage, welche auf dem Elektrowetting-Verfahren (EWOD) beruht. Eine der Zielanwendungen dieses neuartigen Zellsorters ist die Untersuchung spezifischer zellulärer Mechanismen durch entsprechende Zellenselektion im Kontext der Tumorgenese-Forschung, z. B. bei der Entstehung von Leukämien oder Lymphomen. Die gesamte, mehrlagige Chip-Entwicklung erfolgte im Rahmen des EU-geförderten (EFRE) Forschungs-Verbundprojektes „MINAPSO“ (Mikrochip Navigierte Parallel-Sortieranlage) und verbindet einen Ansteuerungschip in Standard-CMOS-Technologie mit dem entsprechenden Mikrofluidik-Aufbau. Die hierbei realisierte Sortiertopologie besteht aus einem optimierten 2-3-Sequenzteiler-Sorter mit einer numerisch abgeschätzten, erreichbaren Sortiergeschwindigkeit von 0.6 bis 1.85 Zellen/Takt (zukünftige Chip-Architekturen wie der sog. Smart-Diffusion-Sorter erzielen sogar Geschwindigkeiten bis zu 5 Zellen/Takt). Für die Modellierungs- und Optimierungsprozesse der Sorterarchitekturen bzw. -algorithmen wurde eine Simulationsplattform in MATLAB entwickelt, welche die in dieser digitalen Mikrofluidik zum Einsatz kommenden, EWOD-basierten Manipulationsoperatoren im Kontext eines Datenparadigmas repräsentiert und bearbeitet. Die charakteristischen Zeitkonstanten dieser EWOD-basierten Operatoren wurden anhand fluiddynamischer Simulationen (CFD) mit Hilfe von COMSOL Multiphysics numerisch ermittelt. Weitere Optimierungspotenziale hinsichtlich der resultierenden Sortiergeschwindigkeit der Zellsortieranlagen konnten mittels CFD-Simulationen und entsprechenden Messdaten identifiziert werden. Gemäß unseres Kenntnisstandes stellt der hier vorgestellte Zell-Sorter den gegenwärtig komplexesten EWOD-Mikrofluidik-Chip dar.

 

In this contribution we present the development of various physical sorting algorithms, each ofwhich is represented by a corresponding sorter topology for a microfluidic-based cell sorter chip using electrowetting on dielectric (EWOD) as transport mechanism. One of the main tasks of this novel cell sorter is devoted to the study of specific cell mechansims using cell selection in the research on tumor genesis with respect to e.g. the development of leukemias or lymphomas. The development of the multi-layer chip has been carried out in the framework of the EU founded (EFRE) joint research project "MINAPSO" (Mikrochip Navigierte Parallel Sortier-Anlage) 1 and encompasses a control chip in standard CMOS technology together with the corresponding mictrofluidic packaging. The hereby realized sorter topology consists of an optimized so-called, 2-3-Sequential-Divider-Sorter" with a numerically estimated performance (i.e. cell throughput) between 0,6 bis 1,85 cells/clock (future chip architectures such as the so-called, "Smart-Diffusion-Sorter" achieve even higher cell throughputs up to 5 cells/clock). For the modeling and optimization of the sorter architectures (aka sorter algorithms) a simulation platform has been developed and implemented in MATLAB. Here the EWOD-based droplet manipulations and subsequent operators have been represented and handled within a sort of data paradigm in order to closely conform to the essentials of digital microfluidics. To estimate the characteristic time delays and the impact of the EWOD-based operators on the overall cell throughput together with the quest for hidden optimization potentials the previous numerical logistic analysis is paralleled by extensive computational fluid dynamics (CFD) simulations using COMSOL Multiphysics as well as by corresponding droplet actuation experiments. It's worth noting that the presented cell sorter stands - to the best of our knowledge - for the currently most complex EWOD microfluidic chip.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-404294.html