Micro PIV study and video analysis of vortex formation in microchannels for cell trapping

The microchannel geometries with aperture reservoirs have shown to favor the formation of vortices useful to promote particle-trapping through lifting forces. In previous studies, rare Circulating Tumor Cells are known to have been successfully isolated using these channels. However, these studies do not examine the velocity profile inside the reservoirs to analyze specifically the orbiting distribution of each type of cells, neither the isolation of leukocytes. In this work, an experimental study is carried out to assess the vortex trapping of White Blood Cells and microbeads in the microchannel through video analysis techniques. In addition, a micro-PIV (Particle Image Velocimetry) study of these geometries is performed with the objective of understanding whether the trapping mechanism is affected by factors such as velocity, geometry, and particle stiffness. Micro-PIV results, streamlines, vortices formation, and trapped particles are analyzed to define the parameters that influence the system. The study presents results that validate the existing work done in the field and extend its scope of application to leukocytes/WBC, whilst presenting novel techniques that could find use in standardized clinical diagnostics.

Si è dimostrato che le geometrie a microcanali con serbatoi di apertura favoriscono la formazione di vortici utili a promuovere l'intrappolamento di particelle mediante forze di sollevamento. In studi precedenti si è mostrato come cellule strane siano state isolate con successo usando questi canali. Tuttavia questi studi non prendono in considerazione il profilo di velocità all'interno dei serbatoi per analizzare nel dettaglio la distribuzione orbitante di ciascun tipo cellulare, nemmeno l'isolamento dei leucociti. In questo lavoro, è stato portato avanti uno studio per valutare l'intrappolamento in vortici dei globuli bianchi e delle microsfere in questi canali usando tecniche di analisi video. In aggiunta è stato eseguito uno studio micro-PIV (Particle Image Velocimetry) di queste geometrie con l'obiettivo di capire se il meccanismo di intrappolamento è influenzato da velocità, geometria e rigidezza della particella. Infine vengono analizzati i risultati del micro-PIV, le linee di flusso, la formazione di vortici e le particelle intrappolate per determinare quali parametri influenzano il sistema. Lo studio presenta dei risultati che validano i lavori esistenti in questo ambito e ampliano il loro campo di applicazione ai leucociti/globuli bianchi, presentando nuove tecniche che potrebbero trovare applicazione in ambito clinico diagnostico.