Electrocapture van biodeeltjes in microfluïdica

Hoewel de detectie van soorten met behulp van biochips veel vooruitgang heeft geboekt, is de scheiding en verrijking van biodeeltjes uit biovloeistoffen een onbeantwoorde behoefte in bioanalytische toepassingen. Voorbeelden zijn de isolatie van exosomen uit menselijke vloeistoffen zoals serum voor vroege diagnose van ziekten zoals kanker of Alzheimer, of complexe extractiestappen voor eiwitzuivering. Biodeeltjes omvatten nucleïnezuren, eiwitten, extracellulaire blaasjes, virussen en bacteriën. Huidige technologieën zoals filteren, centrifugeren of vloeistofchromatografie kunnen biodeeltjes scheiden of verrijken, maar ze zijn moeilijk te integreren in kleine microfluïdische apparaten. De moeilijkheid van de scheiding van biodeeltjes is een belangrijk knelpunt dat verhindert dat veel microfluïdische technieken op grote schaal worden gebruikt in commerciële toepassingen. De focus van dit doctoraat ligt op de ontwikkeling van een elektro-capturing-methode en -apparaat dat biomoleculen kan scheiden en verrijken in een microfluïdisch formaat. Door de elektrische eigenschappen van biodeeltjes, zoals lading of diëlektrische constante, kunnen ze effectief rechtstreeks door elektrische velden worden gemanipuleerd. Dit kan worden gecombineerd met indirecte manipulatie door middel van elektrokinetisch gegenereerde stromen (elektro-roosmotisch en elektrothermisch). Elektrische manipulatie van biodeeltjes biedt veel potentiële voordelen ten opzichte van bestaande technieken, zoals een eenvoudige structuur, lage fabricagecomplexiteit, minder vloeiende overdrachtsstappen, programmeerbare bewerkingen, enz. Een succesvol voorbeeld in de literatuur is diëlektroforese waarbij relatief grote deeltjes (zoals cellen) kunnen worden gepolariseerd. en aangedreven in AC elektrisch veld. De (di)elektroforese van kleine biodeeltjes zoals extracellulaire blaasjes of eiwitten is echter minder bestudeerd en ook niet goed begrepen. Enkele fundamentele vragen moeten nog worden beantwoord: wat bepaalt de elektrische polarisatie van biodeeltjes? Is het mogelijk om de polarisatie van biodeeltjes te beheersen om verschillende biodeeltjes te scheiden? Hoeveel fysieke effecten kunnen deelnemen aan het opvangen van elektrische biodeeltjes naarmate de deeltjesgrootte kleiner wordt? Om deze vragen te beantwoorden, zullen de elektrische eigenschappen van biodeeltjes en het daaruit voortvloeiende gedrag in dit doctoraat worden bestudeerd door middel van theoretische modellering en experimentele verificaties. Analytische biodeeltjesmodellering en mogelijk eindige elementenmodellering zullen gebruikt worden voor een theoretisch begrip van de elektrische eigenschappen van biodeeltjes. Voor experimentele verificaties zal hybride elektrisch en microfluïdisch ontwerp en fabricage worden uitgevoerd in een cleanroom. Het apparaat zal worden gekarakteriseerd en gebruikt voor metingen van het vangen van biodeeltjes.