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High Throughput Single-cell and Multiple-cell Micro-encapsulation

Microfluidic encapsulation methods have been previously utilized to capture cells in picoliter-scale aqueous, monodisperse drops, providing confinement ...

This paper reports results of in vivo experiments that confirm the feasibility of a new minimally invasive method for tissue ablation, irreversible electroporation (IRE). Electroporation is the generation of a destabilizing electric potential across biological membranes that causes the formation of nanoscale defects in the lipid bilayer. In IRE, these defects are permanent and lead to cell death. This paper builds on our earlier theoretical work and demonstrates that IRE can become an effective method for nonthermal tissue ablation requiring no drugs. To test the capability of IRE pulses to ablate tissue in a controlled fashion, we subjected the livers of male Sprague-Dawley rats to a single 20-ms-long square pulse of 1000 V/cm, which calculations had predicted would cause nonthermal IRE. Three hours after the pulse, treated areas in perfusion-fixed livers exhibited microvascular occlusion, endothelial cell necrosis, and diapedeses, resulting in ischemic damage to parenchyma and massive pooling of erythrocytes in sinusoids. However, large blood vessel architecture was preserved. Hepatocytes displayed blurred cell borders, pale eosinophilic cytoplasm, variable pyknosis and vacuolar degeneration. Mathematical analysis indicates that this damage was primarily nonthermal in nature and that sharp borders between affected and unaffected regions corresponded to electric fields of 300-500 V/cm.

In vivo results of a new focal tissue ablation technique: irreversible electroporation.

Irreversible Electroporation (IRE) is a new drug-free method to ablate undesirable tissue of particular use in cancer therapy. IRE achieves cell death within the targeted tissue through a series of electric pulses that elevate the transmembrane potentials to an extent that permanently damages the lipid bilayers throughout the treated region. Although the IRE procedure is easy to perform, treatment planning is complicated by the fact that the electric field distribution within the tissue, the greatest single factor controlling the extents of IRE, depends non-trivially on the electrode configuration, pulse parameters and any tissue heterogeneities. To address this difficulty, we instruct on how to properly model IRE and discuss the benefit of modeling in designing treatment protocols. The necessary theoretical basis is introduced and discussed through the detailed analysis of two classic dual-electrode configurations from electrochemotherapy: coaxial disk electrodes and parallel needle electrodes. Dimensionless figures for these cases are also provided that allow cell constants, treated areas, and the details of heating to be determined for a wide range of conditions, for uniform tissues, simply by plugging in the appropriate physical property values and pulse parameters such as electrode spacing, size, and pulse amplitude. Complexities, such as heterogeneous tissues and changes in conductivity due to electroporation, are also discussed. The synthesis of these details can be used directly by surgeons in treatment planning. Irreversible electroporation is a promising new technique to treat cancer in a targeted manner without the use of drugs; however, it does require a detailed understanding of how electric currents flow within biological tissues. By providing the understanding and tools necessary to design an IRE protocol, this study seeks to facilitate the translation of this new and exciting cancer therapy into clinical practice.

Mathematical modeling of irreversible electroporation for treatment planning.

Rapid separation and filtration of particles in solution has a wide range of applications including blood cell separation, ultrasound contrast agent preparation, and purification of fermentation products. However, current techniques that provide quick processing rates are high in complexity. We present a rapid microfluidic filtration technology capable of separating particles based on size, with purities from 90 to 100% and high-volume throughputs of 1 mL/min. Data for separation of rigid particles, deformable emulsions, and platelets from whole blood are presented. The system is based upon differential inertial focusing of particles of varying sizes and allows continuous separation based only on intrinsic hydrodynamic forces developed in a flow through an asymmetrically curved channel. A theoretical description of the underlying forces is developed, and in combination with data determining a size cutoff for separation, a semiempirical relationship describing how channel geometry is related to this cutoff is shown. Cascading separations in series is shown to be useful for increasing purity and yield. This type of microfluidic system can filter deformable particles, is largely independent of particle density, and can provide throughputs typical of macroscale filtration in a compact format, enabling applications in blood filtration and particle concentration.

Equilibrium separation and filtration of particles using differential inertial focusing.

Rapid Separation und Filtration von Teilchen in L&ouml;sung hat eine breite Palette von Anwendungen, einschlie&szlig;lich Blut Zellseparation, Ultraschall Kontrast Agent Vorbereitung und Reinigung der G&auml;rung-Produkte. Allerdings sind die aktuelle Techniken, die schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeiten bieten hohe Komplexit&auml;t. Pr&auml;sentieren wir Ihnen eine schnelle mikrofluidische Filtrationstechnologie f&auml;hig Partikel, die auf der Grundlage von Gr&ouml;&szlig;e, mit Reinheiten von 90 auf 100 % zu trennen und umfangreicher Durchs&auml;tze von 1 mL/min. Daten zur Trennung von starren Partikel, verformbaren Emulsionen und Thrombozyten aus Vollblut pr&auml;sentiert werden. Das System basiert auf differenzielle inertial Konzentration von Partikeln unterschiedlicher Gr&ouml;&szlig;en und erm&ouml;glicht eine kontinuierliche Trennung basiert nur auf systeminterne hydrodynamische Kr&auml;fte, die in einem Fluss durch einen asymmetrisch gekr&uuml;mmten Kanal entwickelt. Eine theoretische Beschreibung der zugrunde liegenden Kr&auml;fte entwickelt, und in Kombination mit Daten bestimmen eine Gr&ouml;&szlig;e Eckfrequenz f&uuml;r Trennung, eine Semiempirische Beziehung beschreiben wie Kanal-Geometrie ist verwandt mit dieser Cut-off wird angezeigt. Kaskadierung von Separationen in Serie ist n&uuml;tzlich f&uuml;r mehr Reinheit und Ausbeute dargestellt. Diese Art der Microfluidic System kann Filtern verformbare Partikeln, ist weitgehend unabh&auml;ngig von Teilchendichte und bieten Durchs&auml;tze typische der makroskopischen Filtration in einem kompakten Format, Aktivieren von Anwendungen in der Filtration und Partikel Konzentration im Blut.

Gleichgewicht Separation und Filtration von Teilchen mit differenziellen inertial konzentrieren.

Encapsulation of cells within picolitre-size monodisperse drops provides new means to perform quantitative biological studies on a single-cell basis for large cell populations. Variability in the number of cells per drop due to stochastic cell loading is a major barrier to these techniques. We overcome this limitation by evenly spacing cells as they travel within a high aspect-ratio microchannel; cells enter the drop generator with the frequency of drop formation.

Controlled encapsulation of single-cells into monodisperse picolitre drops.

Einkapselung von Zellen in Picolitre-Gr&ouml;&szlig;e monodispersen Tropfen bietet neue Wege in der quantitative biologische Studien auf Einzeller-Basis f&uuml;r gro&szlig;e Zelle Bev&ouml;lkerungen durchf&uuml;hren. Variabilit&auml;t in der Anzahl der Zellen pro Drop durch stochastische Zelle Laden ist ein gro&szlig;es Hindernis f&uuml;r diese Techniken. Wir &uuml;berwinden diese Einschr&auml;nkung von Zellen gleichm&auml;&szlig;ig Abstand, als sie in ein hohes Aspektverh&auml;ltnis Microchannel Reisen; Zellen eintragen den Drop-Generator mit der Frequenz der Drop-Formation.

Kontrollierte Umspritzen von Einzel-Zellen in monodispersen Picolitre Tropfen.

Nonlinearity in finite-Reynolds-number flow results in particle migration transverse to fluid streamlines, producing the well-known "tubular pinch effect" in cylindrical pipes. Here we investigate these nonlinear effects in highly confined systems where the particle size approaches the channel dimensions. Experimental and numerical results reveal distinctive dynamics, including complex scaling of lift forces with channel and particle geometry. The unique behavior described in this Letter has broad implications for confined particulate flows.

Particle segregation and dynamics in confined flows.

Nichtlinearit&auml;t in der endlichen-Reynolds-Zahl-Fluss f&uuml;hrt Partikel Migration quer zur Fl&uuml;ssigkeit optimiert, produziert die bekannten &quot;tubul&auml;re Pinch-Effekt&quot; in zylindrische Rohre. Hier untersuchen wir diese nichtlineare Effekte in sehr beengten Systemen, wo die Partikelgr&ouml;&szlig;e n&auml;hert sich die Kanal-Dimensionen. Experimentelle und numerische Ergebnisse zeigen charakteristische Dynamik, einschlie&szlig;lich komplexer Skalierung der Auftriebskr&auml;fte mit Kanal und Partikel-Geometrie. Das einzigartige Verhalten beschrieben in diesem Brief hat breite Auswirkungen auf engstem Partikel flie&szlig;t.

Partikel Segregation und Dynamik in beengten flie&szlig;t.

The precise measurement of nucleation and non-equilibrium solidification are vital to fields as diverse as atmospheric science, food processing, cryopreservation and metallurgy. The emulsion technique, where the phase under study is partitioned into many droplets suspended within an immiscible continuous phase, is a powerful method for uncovering rates of nucleation and dynamics of phase changes as it isolates nucleation events to single droplets. However, averaging the behavior of many drops in a bulk emulsion leads to the loss of any drop-specific information, and drop polydispersity clouds the analysis. Here we adapt a microfluidic technique for trapping monodisperse drops in planar arrays to characterize solidification of highly supercooled aqueous solutions of glycerol. This system measured rates of nucleation between 10(-5) and 10(-2) pL(-1) s(-1), yielded an ice-water interfacial energy of 33.4 mJ m(-2) between -38 and -35 degrees C, and enabled the specific dynamics of solidification to be observed for over a hundred drops in parallel without any loss of specificity. In addition to the physical insights gained, the ability to observe the time and temperature of nucleation and subsequent growth of the solid phase in static arrays of uniform drops provides a powerful tool to discover thermodynamic protocols that generate desirable crystal structures.

Nucleation and solidification in static arrays of monodisperse drops.

Die pr&auml;zise Messung der Keimbildung und Nichtgleichgewicht Erstarrung sind f&uuml;r so unterschiedliche Bereiche wie atmosph&auml;rische Wissenschaft, Lebensmittelverarbeitung, Kryokonservierung und Metallurgie entscheidend. Die Emulsion-Technik, wo die Phase unter Study in viele Tr&ouml;pfchen suspendiert innerhalb einer mischbarer kontinuierliche Phase partitioniert ist, ist eine leistungsf&auml;hige Methode aufdecken Preise der Keimbildung und Dynamik der Phase &Auml;nderungen wie Keimbildung Ereignisse zu einzelnen Tr&ouml;pfchen isoliert. Jedoch mit durchschnittlich das Verhalten von vielen Tropfen in einer Massen-Emulsion f&uuml;hrt zum Verlust von Drop-spezifische Informationen, und fallen Polydispersit&auml;t Wolken die Analyse. Hier passen wir eine mikrofluidische Technik f&uuml;r trapping monodispersen Tropfen in planare Arrays, Verfestigung von stark unterk&uuml;hlten w&auml;ssrige L&ouml;sungen von Glycerin zu charakterisieren. Dieses System Preise der Keimbildung zwischen 10(-5) und 10(-2) pL(-1) s(-1) gemessen, ergab eine Eiswasser Grenzfl&auml;chenspannung Energie von 33,4 mJ-m(-2) von-38 bis -35&deg; C und aktiviert die spezifische Dynamik des Erstarrens f&uuml;r mehr als hundert Tropfen parallel ohne Verlust der Besonderheit zu beachten. Neben den physikalischen Erkenntnissen bietet die M&ouml;glichkeit, die Zeit und die Temperatur der Keimbildung und anschlie&szlig;ende Wachstum von der festen Phase in statischen Arrays der einheitlichen Tropfen zu beobachten ein m&auml;chtiges Werkzeug um thermodynamische Protokolle zu entdecken, die w&uuml;nschenswert Kristallstrukturen zu generieren.

Keimbildung und Erstarrung in statischen Arrays von monodispersen Tropfen.

A major roadblock to the vitrification of cells is the requirement of high concentrations of cryoprotectant (CPA) chemicals and the damage caused by prolonged exposure of cells to these high concentrations above the glass transition temperature. These effects are minimized with controlled CPA loading. Certain organic oils, such as soybean oil, are made of triacylglycerols and are capable of dissolving small amounts of water, a property which is enhanced significantly as temperature is increased. This phenomenon was exploited here to accomplish temperature-controlled concentration of glycerol in single water droplets dispersed in the organic phase. Emulsions of aqueous solutions of glycerol in soybean oil were made and subjected to a temperature increase of 10 degrees C from room temperature. Upon increasing temperature, water dissolved into the oil, rendering the 15-20 microm droplets concentrated an average of 3.6 times and 2.6 times for 1 and 2 M starting concentrations, respectively, with the oil-insoluble glycerol in 90-110 s. This phenomenon could be used to dynamically concentrate CPAs within cell-containing droplets which may then be vitrified before being exposed to high temperatures for fatally long times.

Concentration of glycerol in aqueous microdroplets by selective removal of water.

Ein Haupthindernis f&uuml;r die Verglasung von Zellen ist das Erfordernis der hohen Konzentrationen von cryoprotektive (CPA) Chemikalien und die Sch&auml;den, die bei l&auml;ngerer Exposition der Zellen diese hohen Konzentrationen oberhalb der Glas&uuml;bergangstemperatur. Diese Effekte werden mit kontrollierten CPA laden minimiert. Bestimmte organische &Ouml;le, wie Soja&ouml;l, bestehen von Triacylglycerol und sind f&auml;hig, kleine Mengen von Wasser aufzul&ouml;sen, ist eine Eigenschaft, die als Temperatur erheblich verst&auml;rkt wird erh&ouml;ht. Dieses Ph&auml;nomen wurde hier genutzt, um temperaturgef&uuml;hrte Konzentration von Glycerin in einzelnen Wassertr&ouml;pfchen, die verstreut in der organischen Phase zu erreichen. Emulsionen von w&auml;ssrigen L&ouml;sungen von Glyzerin in Soja&ouml;l wurden gemacht und ein Temperaturanstieg von 10 Grad C Raumtemperatur ausgesetzt. Bei steigender Temperatur, konzentriert Wasser aufgel&ouml;st in das &Ouml;l, die 15-20 Microm Tr&ouml;pfchen Rendern durchschnittlich 3,6 Mal und 2,6 Mal f&uuml;r 1 und 2 M Konzentrationen, bzw. mit der &Ouml;l-unl&ouml;slich Glycerin in 90-110 s beginnen. Dieses Ph&auml;nomen konnte verwendet werden, um dynamisch CPAs in Zelle enthaltenden konzentrieren Tr&ouml;pfchen, die dann vor zu hohen Temperaturen f&uuml;r verglast werden k&ouml;nnen t&ouml;dlich lange Zeiten.

Konzentration von Glycerin in w&auml;ssrigen Microdroplets durch selektive Entfernung von Wasser.

Microfluidic-based manipulation of particles is of great interest due to the insight it provides into the physics of hydrodynamic forces. Here, we study a particle-size-dependent phenomenon based on differential inertial focusing that utilizes the flow characteristics of curved, low aspect ratio (channel width â‰« height), microfluidic channels. We report the emergence of two focusing points along the height of the channel (z-plane), where different sized particles are focused and ordered in evenly spaced trains at correspondingly different lateral positions within the channel cross-section. We applied the system for continuous ordering and separation of suspension particles.

Differential inertial focusing of particles in curved low-aspect-ratio microchannels.

Mikrofluidische basierende Manipulation der Partikel ist von gro&szlig;em Interesse aufgrund der Einsicht, die es in die Physik der hydrodynamischen Kr&auml;fte bietet. Hier untersuchen wir ein Teilchen-Gr&ouml;&szlig;e-abh&auml;ngigen Ph&auml;nomen basierend auf differenzielle inertial konzentrieren, die die Flie&szlig;eigenschaften des nutzt gebogen, niedrigen Seitenverh&auml;ltnis (Kanal Breite &#x226B; H&ouml;he), mikrofluidische Kan&auml;le. Wir berichten die Entstehung von zwei fokussierenden Punkten entlang der H&ouml;he des Kanals (Z-Ebene), wo unterschiedlicher Gr&ouml;&szlig;e Partikel sind konzentriert und in gleichm&auml;&szlig;igen Abst&auml;nden Z&uuml;ge an entsprechend verschiedenen seitlichen Positionen innerhalb der Kanal-Querschnitt bestellt. Wir verwendet das System zur kontinuierlichen Bestellung und Trennung von Aussetzung Teilchen.

Article	Year
IEEE transactions on bio-medical engineering\| PubMed ID: 15825871	2005
Physiological measurement\| PubMed ID: 16636409	2006
In vivo results of a new focal tissue ablation technique: irreversible electroporation. IEEE transactions on bio-medical engineering\| PubMed ID: 16830945	2006
Mathematical modeling of irreversible electroporation for treatment planning. Technology in cancer research & treatment\| PubMed ID: 17668934	2007
Equilibrium separation and filtration of particles using differential inertial focusing. Analytical chemistry\| PubMed ID: 18275222	2008
Physiological measurement\| PubMed ID: 18603669	2008
Controlled encapsulation of single-cells into monodisperse picolitre drops. Lab on a chip\| PubMed ID: 18651066	2008
Particle segregation and dynamics in confined flows. Physical review letters\| PubMed ID: 19392526	2009
Nucleation and solidification in static arrays of monodisperse drops. Lab on a chip\| PubMed ID: 19532960	2009
Concentration of glycerol in aqueous microdroplets by selective removal of water. Analytical chemistry\| PubMed ID: 20102162	2010
Differential inertial focusing of particles in curved low-aspect-ratio microchannels. New journal of physics\| PubMed ID: 20862272	2009
Lab on a chip\| PubMed ID: 22382737	2012

Jon F. Edd

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