[論文レビュー] Effects of Syringe Pump Fluctuations On Cell-Free Layer in Hydrodynamic Separation Microfluidic Devices

Md Ehtashamul Haque, Amirali Matin+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 73被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、シリンジポンプによる圧力揺動が、流体力学的マイクロフラウドデバイスにおける細胞フリー層（CFL）の安定性に与える影響を調査する。新規の符号化圧縮回転ミラー（CCRM）高速カメラを用いて、著者らはCFL幅の揺動がポンプ誘発圧力振動と周波数および振幅で直接一致することを実証した。これにより分離効率が低下し、特に10–30 mL/hの流量域では、名目上の設計にかかわらず、ミルク脂肪粒子が粒子が乏しい出口に分流してしまう。

ABSTRACT

Syringe pumps are widely used biomedical equipment which offer low-cost solutions to drive and control flow through microfluidic chips. However, they have been shown to transmit mechanical oscillations resulting from their stepper motors, into the flow, perturbing device performance. In this work, unlike previous studies at lower flow rates, we have uncovered that the relative pressure fluctuation plateau from 5mL/h onwards to approximately 2% of the average pressure. Furthermore, we find that absolute pressure fluctuations increase as a non-linear monotonic function of kinematic viscosity at flow rates in the 5-25 mL/h range, while the relative pressure fluctuations peak at 1.25 cSt. Using a novel low-cost coded compressive rotating mirror (CCRM) camera, we investigated the effect of fluctuations in a hydrodynamic microfluidic separation device based on a cell-free layer concept. Using this high-speed imaging set-up, we quantified the cell-free zone width fluctuations at bifurcations. We demonstrated that these fluctuations have the same frequency and amplitude than the syringe pump induced pressure oscillations. Finally, to illustrate that pressure fluctuations degrade the separation efficiency in such devices, we demonstrate using milk samples, instances of particles diverted to undesired outlets. This work provides an insight into the effect of syringe pump fluctuations on microfluidic separation, which will inform the design of microfluidic systems and improve their resilience to pulsating or fluctuating flow conditions.

研究の動機と目的

• シリンジポンプに起因する圧力揺動が、流体力学的マイクロフラウド分離デバイスにおける細胞フリー層（CFL）の安定性に与える影響を調査すること。
• 中程度から高流量域（5–25 mL/h）におけるシリンジポンプの機械的振動とCFL幅の揺動との関係を定量すること。
• ミルクを二相系モデル試料として用いて、これらの揺動が分離効率に与える影響を評価すること。
• 圧力揺動が粒子のパス制御を損ない、出口間の混合を引き起こすことを示すこと。
• 従来のシリンジポンプを用いた運用に耐える耐障害性の高いマイクロフラウドシステムの設計指針を提示すること。

提案手法

• 一時的CFLダイナミクスの高精度・高感度イメージングに、新規で低コストな符号化圧縮回転ミラー（CCRM）カメラを採用した。
• ステッピングモーターを備えたシリンジポンプを用いて、5–25 mL/hの流量範囲で、絶対的および相対的圧力揺動を測定した。
• 分離性能の評価のために、50%脂肪含有のミルクを10、20、30 mL/hの流量で用いて実験を実施した。
• 脱脂ミルクおよび脂肪分出口分画の脂肪含有量を、220 nmおよび968 nmにおける吸光度スペクトロスコピーを用いて定量した。
• 採取した分画の粒子径分布を分析するために動的光散乱（DLS）を適用した。
• 収束部上端面からの深さ（Z=6 μmおよびZ=10 μm）に応じた粒子軌道のコンピュータシミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリンジポンプに起因する圧力揺動は、マイクロフラウド分岐デバイスにおける細胞フリー層（CFL）の幅および安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 シリンジポンプの機械的振動とCFL幅の揺動との間には、周波数および振幅の面でどのような関係があるか？
• RQ3 運動粘度および流量が、5–25 mL/h範囲における圧力揺動の大きさにどのように影響を与えるか？
• RQ4 圧力揺動が、ミルク試料を用いて実証された流体力学的マイクロフラウドデバイスの分離効率に、どの程度まで悪影響を及えるか？
• RQ5 観察されたCFL幅の揺動は、シリンジポンプの機械的振動と直接関連していると結論づけられるか？

主な発見

• 相対的圧力揺動は、5 mL/h以上の流量で約2%の平均圧力に近づき、飽和する。
• 絶対的圧力揺動は運動粘度に非線形に依存し、5–25 mL/h範囲内で1.25 cStで最大値を示す。
• CCRMイメージングにより、CFL幅の揺動が、周波数および振幅の両面で、シリンジポンプに起因する圧力振動と直接一致することが確認された。
• 10 mL/hでは、脱脂ミルク出口における220 nmでの吸光度が20および30 mL/hと比較して顕著に高かった（p=0.0056）、これは揺動に起因する脂肪の汚染増加を示している。
• DLSデータから、10 mL/hの脱脂ミルク出口には、1–7 µmの大きなミルク脂肪球の割合が高かった。これは分光測定結果と一致する。
• シミュレーションにより、Z=10–6 μmの深さで収束部上端面から2.5–3.5 µmの距離にある粒子が、揺動状態下で脱脂ミルク出口に分流される可能性があることが確認された。