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- Autorinnen/Autoren:
- Bakhtiari, Amirabas
- Dokumenttyp:
- Dissertation / Thesis
- Titel:
- Unraveling Ultrasound-driven Microbubble Streaming
- Untertitel:
- Novel Developments for Advanced Particle Manipulation in Microfluidic and Lab-on-a-Chip Flow Systems
- Betreuerin/Betreuer:
- Kähler, Christian J., Prof. Dr.
- Gutachterin/Gutacher:
- Kähler, Christian J., Prof. Dr.; Rossi, Massimiliano, Prof. Dr.
- Tag der Abgabe:
- 04.02.2025
- Tag der mündlichen Prüfung:
- 22.07.2025
- Publikationsdatum:
- 25.11.2025
- Jahr:
- 2025
- Umfang (Seiten):
- xii, 92
- Sprache:
- Englisch
- Schlagwörter:
- Mikrofluidik ; Lab on a Chip ; Partikelmechanik ; Mikropartikel ; Zelle ; Manipulation ; Steuerungssystem
- Stichwörter:
- Microfluidics, Lab-on-a-Chip, Acoustofluidics, Cell Manipulation, Particle Manipulation
- Abstract:
- The burgeoning popularity of microfluidics, involving the precise manipulation of minute fluid volumes within microscale devices, spans diverse applications in chemistry, biology, medicine, and environmental monitoring. Termed microfluidic chips or lab-on-a-chip systems, these devices incorporate intricately etched or molded channels, chambers, and structures onto a substrate. Miniaturized microfluidic systems within medical devices have revolutionized examination and diagnosis processes by delivering faster, cost-effective solutions. They offer distinct advantages, including reduced sample volumes, quicker analysis times, and the integration of multiple processes on a single platform. Within microscale channels, manipulation of cells or microparticles encompasses tasks such as positioning, sorting, separation, concentration, mixing, and particle analysis. Techniques for particle manipulation often rely on principles like acoustic forces, dielectrophoresis, magnetophoresis, hydrodynamics, and optical effects, enabling precise control and movement within the microfluidic system. However, certain approaches, such as high-power lasers in optical tweezers or intense electric fields in electrokinetic tweezers, may lead to cell membrane damage or alteration of the natural experimental environment, emphasizing the need for non-invasive and non-destructive force fields at the cellular scale. Addressing this challenge, microbubble streaming, utilizing actuated microbubbles in microchannels, emerges as a non-invasive and biocompatible method for cell manipulation. This technique holds promise as a universal solution for lab-on-a-chip and microfluidics applications, striking a balance between simplicity, efficacy, and practicality. Control over microstreaming is achieved by manipulating the frequency and amplitude of the applied driving force, offering flexibility to accommodate various microchannel configurations, including adjustments in flow rates and channel geometry. This doctoral dissertation, presented in a cumulative format comprising four journal publications, explores four novel applications of lab-on-a-chip technology leveraging microbubble streaming. The work contributes a fresh perspective on microbubble streaming through a systematic experimental investigation. The first application introduces an automated methodology for monitoring and positioning single microparticles using ultrasound-driven microbubble streaming, involving either a single microbubble or a pair of microbubbles. A custom LabView-based control system was developed to autonomously detect and track individual particles within the microchannel. The system dynamically manipulated their lateral positions to guide them toward a predetermined target position at the microchannel's end by intelligently activating and deactivating microbubble excitation at precise intervals. Two distinct microchip designs were implemented, accommodating one microbubble in the first design and two microbubbles in the second. Rigorous experiments were conducted to characterize the interplay between microbubble streaming and Poiseuille flow, crucial for the development of a responsive control system capable of real-time operation. The second application presents an automated technique for achieving Size-Selective Particle Depletion in microchannels. Combining continuous Poiseuille flow with microbubble streaming, the method retains larger particles in proximity to the microbubble. These particles can be subsequently expelled through a designated waste exit or accumulated in a collection chamber for future analysis or manipulation. Rigorous statistical examination and flow characterization, employing volumetric micro PTV and high-frequency micro PTV, were conducted. This included observing flow field transitions, evaluating the system's particle trapping capabilities across different sizes, and examining how particles of different sizes are distributed at various depths within the microchannel as they enter and exit. The gathered insights played a pivotal role in refining the system and optimizing operational parameters for peak efficiency across diverse conditions, encompassing varying particle sizes, flow rates, and seeding densities. The third application introduces an innovative strategy to address issues related to clogging and clustering within microchannels of lab-on-a-chip devices. Employing three-dimensional (3D) microbubble streaming as a dynamic solution, this approach strategically activates microbubbles near channel constrictions, inducing microstreaming characterized by a distinctive high non-uniform 3D gradient of velocity and significant shear stress. This microstreaming effectively mitigates arch formation and disintegrates particle clusters in real time, demonstrating a proactive approach to prevent clogging incidents and blockages. The study includes rigorous experimental validation, an in-depth exploration of microstreaming phenomena, and statistical analyses across diverse scenarios to ensure robustness and applicability. Furthermore, the research introduces a flexible control system, enabling operation in event-triggered, continuous, or periodic modes. This adaptability ensures compatibility with various lab-on-a-chip applications, enhancing the seamless functionality of microfluidic systems.
Die wachsende Bedeutung der Mikrofluidik, die die präzise Manipulation winziger Flüssigkeitsvolumina in mikroskaligen Vorrichtungen umfasst, erstreckt sich über verschiedene Anwendungen in Chemie, Biologie, Medizin und Umweltüberwachung. Diese Geräte, als Mikrofluidik-Chips oder Lab-on-a-Chip-Systeme bezeichnet, integrieren aufwendig geätzte oder geformte Kanäle, Kammern und Strukturen auf einem Substrat. Miniaturisierte Mikrofluidik-Systeme innerhalb medizinischer Geräte haben die Untersuchungs- und Diagnoseprozesse revolutioniert, indem sie schnellere, kostengünstigere Lösungen bieten. Sie bieten klare Vorteile, darunter reduzierte Probenvolumina, schnellere Analysezeiten und die Integration mehrerer Prozesse auf einer einzigen Plattform. Die Manipulation von Zellen oder Mikropartikeln in mikroskaligen Kanälen umfasst Aufgaben wie Positionierung, Sortierung, Trennung, Konzentration, Mischung und Partikelanalyse. Techniken zur Partikelmanipulation stützen sich oft auf Prinzipien wie akustische Kräfte, Dielektrophorese, Magnetophorese, Hydrodynamik und optische Effekte, die eine präzise Kontrolle und Bewegung innerhalb des Mikrofluidik-Systems ermöglichen. Einige Ansätze, wie Hochleistungslaser in optischen Pinzetten oder intensive elektrische Felder in elektrokinetischen Pinzetten, können jedoch zu Schäden an Zellmembranen oder zur Veränderung der natürlichen Versuchsumgebung führen, was die Notwendigkeit nicht-invasiver und nicht-destruktiver Kraftfelder auf Zellebene betont. Um dieser Herausforderung zu begegnen, die Methode des Mikroblasen-Streaming entwickelt, das aktuierte Mikroblase in Mikrokanäle verwendet, um eine nicht-invasiven und biokompatible Methode für die Zellmanipulation zu ermöglichen. Diese Technik verspricht eine universelle Lösung für Lab-on-a-Chip- und Mikrofluidik-Anwendungen und findet dabei eine ausgewogene Balance zwischen Einfachheit, Effizienz und Praktikabilität. Die Kontrolle über das Mikrostreaming wird durch die Manipulation von Frequenz und Amplitude der angelegten Antriebskraft erreicht, was Flexibilität für verschiedene Mikrokanalkonfigurationen ermöglicht, einschließlich Anpassungen an Durchflussraten und Kanalgeometrien. Diese Doktorarbeit, die in kumulativer Form aus vier Zeitschriftenveröffentlichungen besteht, erforscht drei neuartige Anwendungen der Lab-on-a-Chip-Technologie unter Verwendung von Mikroblasen-Streaming. Die Arbeit trägt durch eine systematische experimentelle Untersuchung zu einer neuen Perspektive zur Nutzung der Mikroblasen-Streaming bei. Die erste Anwendung stellt eine automatisierte Technologie zur Überwachung und Positionierung einzelner Mikropartikel vor, die auf ultraschallgesteuertem Mikroblasen-Streaming basiert und entweder eine einzelne Mikroblase oder ein Paar Mikroblasen verwendet. Ein selbsterstelltes LabView-basiertes Steuersystem wurde entwickelt, um einzelne Partikel innerhalb des Mikrokanals autonom zu erkennen und zu verfolgen. Das System manipulierte dynamisch ihre lateralen Positionen, um sie durch intelligentes Aktivieren und Deaktivieren der Mikroblasen-Erregung zu einem vorbestimmten Ziel am Ende des Mikrokanals zu führen. Zwei verschiedene Mikrochip-Designs wurden implementiert, wobei das erste eine Mikroblase und das zweite zwei Mikroblasen enthält. Umfassende Experimente wurden durchgeführt, um das Zusammenspiel zwischen Mikroblasen-Streaming und Poiseuille-Strömung zu charakterisieren, was für die Entwicklung eines reaktionsfähigen Steuersystems entscheidend ist, das in Echtzeit arbeiten kann. Die zweite Anwendung ist eine automatisierte Technik zur Erzielung einer größenselektiven Partikelentfernung in Mikrokanälen. Die Kombination von kontinuierlicher Poiseuille-Strömung mit Mikroblasen-Streaming ermöglicht es, größere Partikel in der Nähe der Mikroblase zurückzuhalten. Diese Partikel können anschließend durch einen dafür vorgesehenen Abfluss entfernt oder in einer Sammelkammer für zukünftige Analyse oder Manipulation angesammelt werden. Umfangreiche statistische Untersuchungen und Durchflusscharakterisierungen wurden durchgeführt, wobei volumetrische Mikro-PTV (Micro-Particle Tracking Velocimetry) und hochfrequente Mikro-PTV eingesetzt wurden. Dies umfasste die Beobachtung von Übergängen im Strömungsfeld, die Bewertung der Partikeleinfangfähigkeiten des Systems für verschiedene Größen und die Untersuchung der z-Achsen-Verteilung von an- und entkommenden Partikeln. Die gesammelten Erkenntnisse spielten eine entscheidende Rolle bei der Verfeinerung des Systems und der Optimierung der Betriebsparameter für maximale Effizienz unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich unterschiedlicher Partikelgrößen, Durchflussraten und Partikelkonzentrationen. Die dritte Anwendung führt eine innovative Strategie ein, um Probleme im Zusammenhang mit Verstopfungen und Clusterbildungen in Mikrokanälen von Lab-on-a-Chip-Geräten zu bewältigen. Durch den Einsatz von 3D-Mikroblasen-Streaming als dynamischen Lösungsansatz aktiviert diese Methode Mikroblasen strategisch in der Nähe von Kanalverengungen und induziert Mikrostreaming mit einer charakteristischen hohen nicht-uniformen 3D-Gradienten und signifikantem Scherströmungen. Dieses Mikrostreaming vermindert effektiv die Bildung von Partikelbrücken und zersetzt Partikelcluster in Echtzeit. Mit diesen Eigenschaften stellt die Technologie einen proaktiven Ansatz zur Verhinderung von Verstopfungen und Blockaden dar. Die Studie umfasst umfangreiche experimentelle Validierungn, eine tiefgehende Untersuchung der Mikrostreaming-Phänomene und statistische Analysen in verschiedenen Szenarien, um die Robustheit und Anwendbarkeit der Technologie sicherzustellen. Darüber hinaus stellt die Forschung ein flexibles Steuersystem vor, das den Betrieb in ereignisgesteuerten, kontinuierlichen oder periodischen Modi ermöglicht. Diese Anpassungsfähigkeit gewährleistet die Kompatibilität mit verschiedenen Lab-on-a-Chip-Anwendungen und verbessert die nahtlose Funktionalität von Mikrofluidik-Systemen. - DDC-Notation:
- 532.05
- URN:
- urn:nbn:de:bvb:706-001103
- Fakultät:
- Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik
- Institut:
- LRT 7 - Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik
- Professorin/Professor:
- Kähler, Christian J.
- Open Access:
- Ja / Yes
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