Impact of cell deformability on inertial focusing in spiral and straight microfluidic channels

The increasing demand for rapid and high-throughput cell separation, crucial for medical diagnostics and cell purification, has triggered the advancement of microfluidic platforms. Inertial microfluidics, characterized by its label-free, physics-based approach, has emerged as a promising technique. It leverages microscale physics to achieve efficient cell separation, primarily based on particle size. However, the deformable nature of cells complicates their arrangement within microchannels, introducing a novel force, the deformability-induced lift force. This study investigates the potential of separating cells by their deformability within an inertial flow setting. It specifically explores both straight and spiral microfluidic channels, known for their relevance in inertial particle migration. By altering cell deformability through chemical and physical treatments, without inducing any size variation, the cell focusing behavior was examined at channel outlets, emphasizing the impact of operational parameters like flow rate and channel geometry. The primary aim is to demonstrate that cells of identical size but varying deformability focus at different positions at the channel outlet, which will provide infromation for a label-free approach for deformability-based sample purification. The results show that deformable cells concentrate closer to the channel centerline than their rigid counterparts, with spiral channels exhibiting enhanced performance due to the Dean drag force. Furthermore, cell behavior significantly deviates from that of rigid particles, emphasizing the limitations of using particles as cell surrogates for microchannel predictions. In conclusion, this study provides data that support the understanding of how hydrodynamic forces interact in the inertial migration of cells within microfluidic devices, taking into consideration the variability of cellular properties. These observations have practical applications in cell separation technologies and medical diagnostics, particularly in the detection of diseases associated with changes in cell mechanical properties.

La crescente domanda di tecniche efficaci e ad alto rendimento per separare le cellule in campioni eterogenei, nell'ambito della diagnostica medica, ha innescato lo sviluppo delle piattaforme microfluidiche. In particolare, la microfluidica inerziale è emersa come tecnica promettente per via del suo approccio basato sulla sola azione di forze idrodinamiche e privo di marcatori specifici. Essa sfrutta la fisica alla microscala per separare efficacemente le cellule, più comunemente in base alla dimensione. Tuttavia, la natura deformabile delle cellule complica la loro disposizione all'interno dei microcanali, introducendo una nuova forza indotta dalla deformabilità. Questo studio esplora l'applicazione della microfluidica inerziale per separare le cellule in base alla loro deformabilità. Si concentra su microcanali rettilinei e a spirale, dove la migrazione inerziale delle particelle rigide è stata ampiamente studiata in precedenza. La deformabilità delle cellule viene manipolata tramite trattamenti chimici e fisici per valutarne l'impatto sulla migrazione nelle diverse condizioni operative, come flusso e geometria del canale. L'obiettivo principale è dimostrare che le cellule con identiche dimensioni ma diversa deformabilità si concentrano in posizioni diverse all'uscita del canale. I risultati indicano che le cellule deformabili si concentrano più vicino all'asse del canale rispetto alle cellule rigide, con un effetto più evidente nei canali a spirale. Inoltre, il comportamento delle cellule differisce in modo significativo da quello delle particelle rigide, sottolineando le limitazioni nell'uso delle particelle come surrogati per le cellule nei microcanali. In sintesi, questo studio fornisce dati che contribuiscono a comprendere come interagiscono le forze idrodinamiche nella migrazione inerziale delle cellule in dispositivi microfluidici, tenendo conto della variabilità delle proprietà cellulari. Queste osservazioni trovano applicazione nelle tecnologie di separazione cellulare e nella diagnostica medica, particolarmente nella rilevazione di malattie legate alle modifiche delle proprietà meccaniche delle cellule.