Design and validation of a viscoelastic microfluidic device for sperm cells retrieval for male infertility applications

Infertility is a disease that affects more than 70 million couples around the world; male patients could be accounted for 50% of the cases. The main pathological conditions recognized as the main causes of male infertility are leukocytospermia, azoospermia, and hematospermia; these have in common the presence of non-sperm cells in the semen such as white blood cells (WBCs) and/or red blood cells (RBCs) that could affect the fertilization ability of the spermatozoa. The existing standards procedure to eliminates those unwanted cells have numerous disadvantages such as being time-consuming, expensive, and sometimes inefficient. Microfluidics can potentially overcome all the enumerated drawbacks; thus, here we demonstrate the use of a passive microfluidic device consisting of a straight channel with a rectangular cross-section to perform the separation between spermatozoa and other cells that can be found in the semen or the biopsies by exploiting the viscoelastic effect of the medium. The device was made in polydimethylsiloxane with the classic soft lithography techniques and the viscoelastic fluid used was polyethylene oxide. To demonstrate the feasibility of our device we firstly investigated the behavior of particles inside our channel, then we proceeded by testing the single cell types, and finally, we studied and analyzed the separation of our biological mixtures. Outstanding results were obtained and, specifically, collection of a 100% pure sample of spermatozoa was possible from both mixture with corpuscles that mimic leukocytes and with erythrocytes. By analyzing our outcomes, we were able to demonstrate and ensure the clinical feasibility of a high-performance separation with pure spermatozoa retrieval in less than 30min and without the use of external forces, enzymes, or complicated procedures.

L'infertilità è una malattia che colpisce più di 70 milioni di coppie in tutto il mondo; i pazienti maschi rappresentano circa il 50% di questi casi. Le principali condizioni patologiche riconosciute come principali cause di infertilità maschile sono la leucocitospermia, l’azoospermia e l’ematospermia; queste hanno in comune la presenza di cellule non spermatiche nel liquido seminale, quali i globuli bianchi (WBCs) e/o i globuli rossi (RBCs) che potrebbero influenzare la capacità intrinseca di fecondazione degli spermatozoi. Le procedure standard esistenti per eliminare tali cellule indesiderate presentano numerosi svantaggi, come ad esempio il necessitare molto tempo, l’essere molto costosi e talvolta inefficaci. La microfluidica può potenzialmente superare tutti questi svantaggi; a questo proposito, con il nostro lavoro di ricerca dimostriamo l'utilizzo di un dispositivo microfluidico passivo costituito da un canale dritto a sezione rettangolare per eseguire la separazione tra spermatozoi e le altre cellule che si possono trovare nel liquido seminale o nelle biopsie, sfruttando l'effetto viscoelastico della nostra soluzione. Il dispositivo è stato realizzato in polidimetilossano con le classiche tecniche di soft-litografia, ed il fluido viscoelastico utilizzato è l'ossido di polietilene. Per dimostrare la fattibilità del nostro dispositivo abbiamo prima di tutto studiato il comportamento delle particelle all'interno del nostro canale, poi abbiamo proceduto testando i singoli tipi di cellule, e infine, abbiamo studiato ed analizzato la separazione delle nostre soluzioni biologiche. Sono stati ottenuti risultati particolarmente promettenti e, in particolare, è stata possibile la raccolta di un campione puro al 100% di spermatozoi sia da soluzioni contenenti corpuscoli che imitano i leucociti che con eritrociti. Analizzando i nostri risultati, siamo stati in grado di dimostrare e garantire la fattibilità clinica di una separazione ad alte prestazioni per il recupero di spermatozoi puri in meno di 30 minuti e senza l'uso di forze esterne, enzimi o la necessità di macchinari complicati da utilizzare ed impostare.