A study on high-speed hydrodynamic focusing of 1 μm Micro-particles for concentration in microfluidic Channels

Abstract

The concentration of particles measuring as little as 1 μm in diameter within a fluid has manifold applications in a various field, including medicine, environmental science and food analysis. In the context of bacterial analysis, such concentration is imperative for diagnosing and preventing diseases caused by pathogens. Furthermore, it is employed in the analysis of pathogens that have the potential to cause diseases through drinking water or food. With regard to microplastics, this concentration technique is utilized in studies to diagnose diseases caused by microplastics in water or to determine the level of contamination of water. Finally, platelet analysis in blood is used to measure the number of platelets in the blood and whether they function correctly. For particles smaller than 1 μm in size and with a density comparable to that of the surrounding fluid, particle concentration via centrifugation is time-consuming and can be mechanically damaged by high shear stresses. Microfluidic devices are based on microfluidics and can separate and concentrate particles without causing mechanical damage to the particles. Moreover, due to the microscale operation of microfluidic devices, they are characterized by their compact size and cost-effectiveness. However, current technologies for concentrating particles measuring less than 1 μm in diameter, such as bacteria, necessitate the device’s downscaling to match the particles’ size. The low modulus of elasticity and rigidity of the commonly used polydimethylsiloxane (PDMS) results in increased pressure inside the channel at higher flow rates, which can easily deform or damage the device, thus limiting the processing flow rates. In this study, we propose a microfluidic device that utilizes the inertial effect to concentrate particles with a diameter of 1 μm at high flow rates. Peritoneal dialysis has the advantage that it can be performed at home, allowing patients to live their daily lives with relative freedom. However, in the event of peritonitis, renal replacement therapy must be changed to hemodialysis, and delayed treatment can lead to patient death. This underscores the necessity for an expeditious diagnosis and surveillance system for peritonitis in patients undergoing peritoneal dialysis, a home treatment modality. In the case of bacterial peritonitis, diagnosis is typically made through blood culture, a process that can take approximately 10 days, followed by identification of the causative organism. During the course of bacterial culture and identification, patients are administered empirical antibiotics. However, this process can result in bacterial resistance, potentially delaying the initiation of effective antibiotic treatment. To address this challenge, this study aimed to expedite the diagnosis and surveillance of peritonitis by reducing the duration of the culture process. To this end, we have proposed a novel approach that involves the utilization of a microfluidic device to facilitate an enrichment step, thereby reducing the time to treatment and enhancing the efficacy of antibiotic therapy. The proposed device is a micro-scale straight channel with repeated contraction and expansion in the channel width, and a novel herringbone structure that induces secondary flow inside by changing the shape of the cross-section in the forward direction. This allows the concentrated flow of particles to be located closer to the two end walls of the channel to increase the concentration rate of particles with a diameter of 1 μm under high flow conditions. At an optimized flow rate of 10 mL/h, the separation efficiency, position and width of the concentrated flow, and the concentration rate of the proposed device were compared with the conventional contracting and expanding structure. The ratio of the concentration flow to the width exhibited an increase of 10%, reaching 33.33%, thereby confirming the capacity of the proposed device to achieve a narrower width of the concentration flow. Furthermore, the particle recovery rate demonstrated a 5% increase, reaching 67.67%, thus substantiating the enhanced recovery rate achievable through the proposed structure. Additionally, the concentration ratio underwent a 10% increase, attaining a value of 1.45 times its initial level. The proposed device can potentially to enhance the 1um concentration effect of the existing Contraction and Expansion array (CEA) structure.|유체 내에서 직경 1 μm 크기의 입자를 농축하는 것은 의료, 환경 그리고 식품 분석의 분야에서 사용되고 있다. 박테리아의 경우 병원균 원인성 질병에 대한 진단 및 예방에 필요하며 식수 및 식품에서 질병 감염을 일으킬 수 있는 병원균 분석에 사용된다. 또한, 미세 플라스틱의 경우 물에 포함된 미세플라스틱에 의한 질병을 진단하거나 물의 오염도를 판단하는 연구에 사용된다. 마지막으로 혈액내의 혈소판 분석을 통해 혈액 내의 혈소판 수를 측정하고 혈소판이 제 기능을 하는지에 대한 분석을 하는데 사용된다. 입자의 크기가 1 μm 보다 작고 그 밀도가 주변 유체와 비교가 가능한 입자의 경우 원심분리기를 통한 입자 농축에 시간이 많이 소요되며 높은 전단 응력에 의해 기계적 손상을 입을 수 있다. 미세유체 소자는 미세유체역학을 기반으로 하며 입자에 기계적 손상을 입히지 않고 입자를 분리 및 농축할 수 있다. 또한 미세유체 소자의 경우 미세 규모에서 유체를 다루기 때문에 소자의 크기가 작으며 경제적이다. 그러나 현재까지 박테리아와 같이 직경이 1 μm 보다 작은 입자를 분리하기 위한 기술들은 소자의 크기가 입자의 크기에 맞게 작아져 통상적으로 사용되는 polydimethylsiloxane(PDMS)의 낮은 탄성 계수와 강성으로 인해 유량이 높아지면 채널 내부의 압력에 증가하여 소자가 쉽게 변형되거나 손상되게 된다. 이로 인해 처리 유량이 낮다는 한계점을 지닌다. 본 연구에서는 미세유체 소자 내부의 관성 효과를 이용하여 직경이 1 μm 인 입자를 고유량으로 농축하는 미세유체 소자를 제안한다. 복막 투석의 경우 재택 치료가 가능하여 상대적으로 자유롭게 일상 생활이 가능하다는 이점이 있다. 그러나 복막염 발생 시, 신장 대체요법을 통해 혈액 투석으로 변경되어야 하며 치료 시기가 늦어지는 경우 환자가 사망에 이를 수 있다. 이에 따라 재택 치료 요법인 복막 투석을 수행하는 환자들의 복막염 조기 진단 및 감시 시스템이 필요하다. 박테리아의 경우 복막염 진단 시 혈액 배양을 통해 10 일 정도 배양된 후 원인균의 유무를 통해 판별하게 된다. 박테리아 배양 및 식별 과정에서 환자는 경험적 항생제 투여를 받게 된다. 이 과정에서 박테리아는 항생제에 내성이 생길 수 있으며 항생제 처방 단계에서 치료가 지연될 수 있다. 따라서 복막염의 빠른 진단 및 감시를 위해 배양 단계를 미세유체 소자를 통한 농축과정으로 대체함으로써 치료까지 걸리는 시간을 단축시키고자 하였다. 제안된 소자는 마이크로 스케일의 직선형 채널에서 수축 및 팽창이 반복되는 구조와 단면의 형상을 진행방향으로 변화시켜 내부에서 2 차 유동을 유도하는 헤링본 구조를 새롭게 제안하여 고 유량 조건에서 직경이 1 μm 인 입자의 농축율을 높일 수 있도록 입자의 농축 흐름이 채널의 양끝 벽면에 더 가깝게 위치할 수 있도록 유도하였다. 최적화 된 유량인 10mL/h 의 유량에서 기존의 수축 및 팽창이 반복되는 구조와 제안하는 소자의 분리 효율과 농축 흐름의 위치 및 폭 그리고 농축률을 비교하였다. 폭 대비 농축 흐름이 차지하는 비율은 10% 증가한 33.33%로 제안된 소자에서의 농축 흐름의 폭이 더 얇게 존재할 수 있음을 확인하였으며, 입자 회수율을 비교하였을 때 5% 증가한 67.67%로 제안된 구조를 통해 회수율을 높일 수 있음을 확인하였다. 또한, 농축률의 경우 10% 증가한 값인 1.45 배의 농축률을 보였다. 제안된 소자를 통해 기존의 Contraction and Expansion array (CEA) 구조에서의 1 μm 농축 효과를 개선할 수 있는 가능성을 확인하였다.