Analysis & optimization of an innovative method for fetal cells enrichment from maternal blood

Chromosomal birth defects effect 1 of every 150 pregnancies. These defects can either be diagnosed by invasive methods, that bear the risk of miscarriage, or screened by non-invasive methods without a certain diagnosis. To obtain a method that is both non-invasive and diagnostic for such diseases, in 2016, a method that utilizes a gravitational field-flow fractionation (GrFFF) system was introduced by Lattuada, for the enrichment of fetal cells from a sample drawn from circulating maternal blood. This system targets to separate mainly fetal nucleated red blood cells (nRBC) from the remaining cells in the sample, according to their physical properties. In this dissertation, that system is investigated computationally to comprehend the behaviours of the cells in different stages of the application. The operation is handled in three sections: sedimentation of the cells, inlet optimization for a better distribution of the cells after sedimentation and the flow properties, in terms of effective forces and movement of the cells with respect to those. After the completion of the aforementioned, various design modifications are proposed for an optimization of the overall separation procedure.

I difetti cromosomici alla nascita colpiscono 1 su ogni 150 gravidanze. Questi difetti possono essere diagnosticati con metodi invasivi, che comportano il rischio di perdita fetale, oppure possono essere sottoposti a screening con metodi non invasivi senza una determinata diagnosi. Per ottenere un test diagnostico e non invasivo per tali malattie, nel 2016, Lattuada ha introdotto un metodo che utilizza un sistema di frazionamento in campo-flusso gravitazionale (GrFFF), per l'arricchimento delle cellule fetali da un campione di sangue materno. Questo sistema mira a separare eritroblasti fetali dalle restanti cellule del campione, in base alle loro proprietà fisiche. In questa tesi, tale sistema viene studiato a livello computazionale per comprendere i comportamenti delle cellule nelle diverse fasi dell'applicazione, ed in particolare ci si è focalizzati in tre sezioni: sedimentazione delle cellule, ottimizzazione dell'ingresso, per una migliore distribuzione delle cellule dopo la sedimentazione, e le proprietà del flusso, in termini di forze effettive e movimento delle cellule. Dopo il completamento di queste attività, vengono proposte varie modifiche di progettazione per un'ottimizzazione della procedura di separazione.