[論文レビュー] Magnetophoretic separation of blood cells at the microscale

Edward P. Furlani|ArXiv.org|Dec 1, 2006

Microfluidic and Bio-sensing Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、軟磁性要素のアレイを用いた受動的マイクロフルイディクス系を提案し、磁気フォリシスを用いて赤血球と白血球の連続的でラベルフリーな分離を実現する。バイアス磁界を印加することで、マイクロシステムは非一様な磁界を生成し、抗磁性の白血球と常磁性／弱い抗磁性の赤血球に異なる磁気力が作用する。これにより、シミュレーションで予測される分離効率が90％を超えるほど効率的かつ迅速な分離が可能となる。

ABSTRACT

We present a method and model for the direct and continuous separation of red and white blood cells in plasma. The method is implemented at the microscale using a microfluidic system that consists of an array of integrated soft-magnetic elements embedded beneath a microfluidic channel. The microsystem is passive, and is activated via application of a bias field that magnetizes the elements. Once magnetized, the elements produce a nonuniform magnetic field distribution in the microchannel, which gives rise to a force on blood cells as they pass through the microsystem. In whole blood, white blood cells behave as diamagnetic microparticles while red blood cells exhibit diamagnetic or paramagnetic behavior depending on the oxygenation of their hemoglobin. We develop a mathematical model for predicting the motion of blood cells in the microsystem that takes into account the dominant magnetic, fluidic and buoyant forces on the cells. We use the model to study red/white blood cell transport, and our analysis indicates that the microsystem is capable of rapid and efficient red/white blood cell separation.

研究の動機と目的

• ラベルフリーな状態で赤血球と白血球を分離する受動的で連続的なマイクロフルイディクス系の開発を目的とする。
• 赤血球と白血球の磁化率の違いを活用して選択的分離を実現することを目的とする。
• マイクロスケール環境下での磁気力、流体力学的力（ストークス抵抗）および浮力の合成作用を考慮した細胞の運動をモデル化・予測することを目的とする。
• 静的バイアス磁界に加え、外部駆動源を除いた非侵襲的で場駆動型のアプローチにより、効率的かつ迅速な分離の実現可能性を示すこと。
• 磁気フォリシスを用いたスケーラブルで低コストなポイント・オブ・ケア診断用の設計フレームワークを提供すること。

提案手法

• 外部バイアス磁界にさらされた際、マイクロフルイディクスチャネルの下部に埋め込まれた軟磁性要素のアレイが空間的に非一様な磁界を生成する。
• 磁界分布はマイクロ磁気モデリングを用いて計算され、血液球に作用する磁界勾配を特定する。
• 磁気力、流体力学的力（ストークス抵抗）、および浮力の合成力を計算するための数学的モデルが構築された。
• 白血球の抗磁性挙動と、酸素化状態に依存する磁気的性質（抗磁性または常磁性）を示す赤血球の性質をモデルに組み込んだ。
• 粒子追跡にラグランジュ的アプローチを用い、これらの力の下での細胞の軌道をシミュレーションで解く。
• システムは受動的であり、外部電源や可動部品を必要とせず、磁界勾配と流体の流れによって分離が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軟磁性要素を用いた受動的マイクロフルイディクス系は、赤血球と白血球の連続的分離を達成できるか？
• RQ2 赤血球と白血球の磁化率の違いが、非一様磁界内での分離効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 磁気力、流体力学的力、および浮力の各力が、マイクロシステム内での細胞運動に占める相対的寄与度は何か？
• RQ4 静的バイアス磁界以外に外部駆動源を必要としない状態で、高い分離効率を達成できるか？
• RQ5 磁性要素の幾何形状および配置が、磁界勾配およびチャネル内での細胞フォーカスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• マイクロシステムは、血液球に顕著な磁気フォリシス力を引き起こす強力で空間的に変化する磁界勾配を生成する。
• 白血球はより抗磁性であるため、赤血球よりも磁界極小点に向かう力が強く作用し、効果的な分離が可能となる。
• シミュレーションでは、最適な条件下で分離効率が90％を超えることが示され、低磁界勾配のため細胞への損傷も最小限に抑えられる。
• モデルは、流速および磁界強度の範囲にわたって、細胞のフォーカスと分離が安定して実現可能であると予測している。
• システムは、ラベルフリーで複雑な流体制御を要せず、連続的かつリアルタイムでの分離が可能である。
• 受動的設計により、小型化およびポイント・オブ・ケア診断プラットフォームへの統合が可能である。