[논문 리뷰] Sorting of particles suspended in whole blood

Stefan H. Holm, Zunmin Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 11.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 62인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 전체 혈액에서 미세입자를 분리하기 위한 결정론적 횡방향 이송(DLD)을 조사하며, 혈구비율에 의한 궤적 이탈과 임계 입자 크기 근처의 산산이 흩어짐에도 불구하고 DLD가 효과적인 분리 성능 유지를 함을 입증한다. 시뮬레이션과 실험을 통해 전체 혈액에서의 DLD가 최소한의 샘플 준비로도 뛰어난 안정성을 보이며 고속 진단에 적합함을 확인하였다.

ABSTRACT

An important step in diagnostics is the isolation of specific cells and microorganisms of interest from blood. Since such bioparticles are often present at very low concentrations, throughput needs to be as high as possible. In addition, to ensure simplicity, a minimum of sample preparation is important. Therefore, sorting schemes that function for whole blood are highly desirable. Deterministic lateral displacement (DLD) has proven to be very precise and versatile in terms of a wide range of sorting parameters. To better understand how DLD performs for blood as the hematocrit increases, we have performed measurements and simulations for spherical particles in the micrometer range moving through DLD arrays for different flow velocities and hematocrits ranging from pure buffer to whole blood. We find that the separation function of the DLD array is sustained, even though blood cells introduce a shift in the trajectories and a significant dispersion for particles that are close to the critical size in the device. Simulations qualitatively replicate our experimental observations and help us identify fundamental mechanisms for the effect of hematocrit on the performance of the DLD device.

연구 동기 및 목표

• 고속 생물입자 분離를 위한 전체 혈액에서 결정론적 횡방향 이송(DLD)의 성능 평가
• 혈구비율 증가가 DLD 어레이에서 입자 궤적과 산산이 흩어짐에 미치는 영향 이해
• 광범위한 전처리 없이도 전체 혈액에서 직접 입자 분리를 위한 DLD의 실현 가능성 평가
• 혈구비율에 따른 입자 분리 영향을 반영한 시뮬레이션을 통해 실험 결과의 검증

제안 방법

• 순수한 버퍼에서부터 전체 혈액까지 다양한 혈구비율 수준과 유속 조건에서 DLD 어레이를 사용하여 구형 미세입자를 대상으로 실험 수행
• 실시간으로 입자 궤적을 추적하여 예상되는 분리 행동 대비 이격과 산산이 흩어짐 정도를 정량화
• 다양한 혈구비율 조건에서 DLD 어레이 내 입자 운동을 모델링하기 위해 수치 시뮬레이션 수행
• 실험 관측 결과를 재현하기 위해 유체역학적 상호작용과 적혈구에 의한 유동 교란을 시뮬레이션에 통합
• 다양한 혈구비율 수준과 입자 크기에서 입자 집중 행동을 비교함으로써 분리 함수 평가
• 산산이 흩어짐이 혈구비율 영향으로 인해 크게 증가하는 임계 입자 크기를 기준점으로 식별

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 혈액에서 혈구비율 증가가 DLD 어레이 내 입자 궤적과 집중에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 희석 버퍼 대비 전체 혈액을 처리할 경우 DLD 분리 함수는 어느 정도 유지되는가?
• RQ3 고혈구비율 환경에서 임계 크기 근처에서 입자 산산이 흩어지는 데 기여하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 시뮬레이션은 전체 혈액에서 입자 분리 행동을 정확하게 재현할 수 있는가?

주요 결과

• DLD 분리 함수는 전체 혈액에서도 효과적으로 유지되며, 다양한 혈구비율 수준에서 지속적인 입자 집중을 보였다.
• 혈구비율 증가로 인한 입자 궤적 이격이 관측되었으며, 특히 분리 임계 크기 근처의 입자에서 두드러졌다.
• 임계 크기 근처의 입자는 적혈구와의 유체역학적 상호작용으로 인해 전체 혈액에서 심각한 산산이 흩어짐을 보였다.
• 시뮬레이션은 실험 관측 결과를 정성적으로 재현하였으며, 혈구비율에 의한 유동 비균일성이 궤적 이탈의 주요 원인임을 규명하였다.
• 임계 크기보다 훨씬 크거나 작은 입자에 대해서는 전체 혈액에서 DLD 성능이 안정적이지만, 임계 기준점 근처에서는 성능 저하가 발생하였다.
• 최소한의 샘플 준비로도 가능하여, DLD를 전체 혈액에서 직접 고속 진단 도구로 활용할 수 있음을 뒷받침한다.