Separarea continua a biomoleculelorprin magnetoforeza

Marius-Andrei Avram, Elena Barbarini, Alina Popescu

Cuprins

1. Introducere

2. Obiective

3. Aspecte teoretice

4. Valve de spin

5. Simulari

6. Structura

7. Microfabricatie

8. Teste si rezultate

9. Optimizari si proiect de viitor

1. Introducere

Manipularea globulelor rosii in camp magnetic este posibila datorita hemoglobineicontinuta de acestea. Hemoglobina este o proteina-metal conjugata, formata din patru

lanturi polipeptidice legate covalent de un atom de fier. Astfel, hemoglobinafunctioneaza ca transportor de oxigen. Atunci cand este dezoxigenata, datorita

electronilor de valenta, proteina si celula capata un moment paramagnetic substantial. Principiul de functionare al acestui dispozitiv se bazeaza pe faptul ca spre deosebire de

globulele rosii care datorita hemoglobinei sunt paramagnetice, deci sunt atrase spregradienti mari ai campului magnetic, globulele albe necontinand hemoglobina, sunt

diamagnetice si sunt atrase spre gradienti mici. Aceste proprietati ale celulelor sanguine reprezinta punctele de plecare pentru captura celulelor prin flosirea campurilor

magnetice puternic asimetrice. Separarea se realizeaza prin curgerea continua a uneimostre de sange, diluata in PBS, printr-un canal microfluidic care are pe baza un strat

feromagnetic nanostructurat. Prin aplicarea unui camp magnetic perpendicular pedirectia de curgere, nanostructurile magnetice genereaza un gradient de camp magnetic

ce amplifica forta magnetica, astfel incat celulele rosii sunt captate pe fundulmicrocanalului in timp ce restul sangelui este colectat in rezervorul de iesire al

microcanalului.

SEPARARE MAGNETICA

•Separarea magnetica la gradienti de camp mari a biomoleculelor atasate unor nanotransportori magnetici

• Separarea globulelor rosii din sange datorita susceptibilitatii lor native

OBIECTIVELE NOASTRE

• Modelarea, simularea, realizarea si testarea unui sistem microfluidic pentru separarea magnetica continua a celulelor

2. Obiective

Membrana

Hbias

Varf Magnetic Particule magnetice Valve de spin(capcane)

Globulele rosii sunt paramagnetice, in timp ce globulele albe sunt diamagnetice. Asupra unei particule magnetice ce se deplaseaza in campmagnetic uniform actionaza o forta, care in functiede orientarea campului poate fi de atractie sau de repulsie. Valvele de spin atrag particulele paramagnetice (globulele rosii) si le resping pe cele diamagnetice (globulele albe).

araHhw

raVk

aHhw

ra

hwk

raVk

F BCr

BCBC >⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛Δ

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛Δ

−= ,2sin2

2cos2 2

03

202

02

2

3

20

φϕχμ

ϕχμ

Forta cu care este atrasa sau respinsa o molecula este data de expresia:

3. Aspecte teoretice

AVANTAJE

Se poate manipula un numar mare de biomolecule independent si simultan

Se pot aplica campuri magnetice care genereaza o miscare de rotatie a biomoleculelor

Se pot aplica forte de torsiune care induc tranzitii structurale astfel incat se pot evidentia mecanisme biologice la nivel molecular

4. Valve de spin

Valva de spin

biomolecula 0˚ 45˚ 90˚

135˚ 180˚ 225˚

270˚ 315˚ 360˚

4. Valve de spin

Mirowski et al. – Journal of Magnetism and magnetic materials (2007)

Arhitectura si compozitia unei valve de spin.

Pe substrat de siliciu, se depune un strat de Ta (5nm). Ta se depune pe partea superioara a structurii pentru a preveni oxidarea stratului antiferromagnetic si a asigura obtinerea unui contact ohmic. Stratul antiferomagnetic (8nm) are rolul de a fixa magnetizarea valvei.

Multistratul activ se obtine alternand metale magnetice (permalloy si cobalt) si nemagnetice Cu/Au/Ag. Co se depune cu dublu scop: interfata Co/Cu genereaza un raport GMR mai mare; Co serveste si ca bariera de difuzie.

Pad de polarizare

Valva de spinFir de aur

4. Valve de spin

Mom

ent

Mag

net

ic (

emu

/cm

3)

Intensitatea campului magnetic (Oe)250200150100500-50-100-150

feromagnetic

antiferomagnetic

AntiparalelCuplaj Antiferomagnetic

ParalelCuplaj Feromagnetic

antiferomagnetic

Stare ON

Stare OFF

700

650

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0feromagnetic

COMPORTAREA BISTABILA A VALVEI DE SPIN

4. Valve de spin

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-150 -100 -50 0 50 100 150

ΔR

/R (%

)

Intensitatea campului magnetic (Oe)

VARIATIA RAPORTULUI GMR IN FUNCTIE DE INTENSITATEA CAMPULUI MAGNETIC APLICAT

4. Valve de spin

Campul magnetic• campul magnetic extern este determinat de forma structurilor feromagnetice

• intensitatea este mai mare in lateralul structurilor si scade deasupra lor

• materialele din jur au efecte determinante asupra campului magnetic

• in cazul plachetei de sticla, campulmagnetic este mai putin intens

B at 5 um distance on 2um glass structure

0.45

0.47

0.49

0.51

0.53

0.55

0.57

0

3.58

7.15

10.7

14.3

17.9

21.5 25

28.6

32.2

35.8

39.3

42.9

46.5

50.1

53.6

57.2

60.8

64.4

67.9

71.5

75.1

x [um]

B [T

]

B at 5 um distance on 2um silicon structure

0.45

0.47

0.49

0.51

0.53

0.55

0.57

0

3.53

7.06

10.6

14.1

17.6

21.2

24.7

28.2

31.8

35.3

38.8

42.3

45.9

49.4

52.9

56.5 60

63.5 67

70.6

74.1

x [um]

B [T

]

5. Simulari

Camp magnetic pe o structura de siliciu de 2μm

Camp magnetic pe o structura de sticla de 2μm

Inductia campului magnetic (B)la o distanta de 5μm pe o placheta de siliciu

Inductia campului magnetic (B)la o distanta de 5μm pe o placheta de sticla

BBVF fccm ))((0 ∇•−= χχμ

Forta magnetica este unul din factorii importanti, alaturi de gravitatie si vascozitate, care are rol in deplasarea particulelor prin microcanale Rezultatele arata cum, in functiede dimensiunea canalului, celulele pot fi captate intr-o perioada relativ scurta.

Magnetic force at 20 um on 1 mm structure

-5.00E-21

0.00E+00

5.00E-21

1.00E-20

1.50E-20

2.00E-20

2.50E-20

0

315

631

946

1261

1577

1892

2207

2523

2838

3153

3468

3784

4099

4414

4730

x [um]

Fmy

[N]

glasssilicon

5. Simulari

Forta magnetica la distanta de 20μm fata de structura

Forta magnetica

Dependenta magnetorezistentei gigant de intensitatea campului magnetic aplicat pentru diferite valori de acoperire a suprafetei cu biomolecule, campul magnetic fiind aplicat in plan: (a) paralel cu axa de usoara magnetizare (b) perpendicular pe axa de

usoara magnetizare

5. Simulari

Zoom in

5. Simulari

Campul magnetic la 2 microni in interiorul siliciului

Campul magnetic pesuprafata siliciului

Zoom in

5. Simulari

Campulmagnetic pe

suprafata sticlei

5. Simulari

6. Structura

7. Microfabricatie

7. Microfabricatie

Rezultate

Peste 93% din celulele rosii au fost captate de dispozitivul structurat pe siliciu

Peste 89% din celulele rosii au fost captate de dispozitivul structurat pe siliciu

Cele mai bune performante s-au obtinut in cazul structurilor feromagnetice mici

Rezultatele simularilor au fost confirmate

Procentul de celule rosii colectate la iesireStructura pe sticla

0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

8.00%

10.00%

stripes square tango quadri

0.5 ml/h0.6 ml/h

Procentul de celule rosii colectate la iesireStructura pe siliciu

7.00%

0.00%

1.00%

2.00%

3.00%

4.00%

5.00%

6.00%

stripes square tango quadri

0.5 ml/h0.6 ml/h

8. Teste si rezultate

Ce am facut• am studiat efectul campului magnetic extern asupra unor structuri ferromagnetice de diferite forme.• am studiat miscarea particulelor in canalul microfluidic sub influenta unei forte magnetice.• am realizat si testat dispozitivul de separare a celulelor dupa susceptibilitatea nativa

Ce vom face in viitor…• vom modifica structura dispozitivului pentru a creste forta magnetica a structurii feromagnetice asupra biomoleculelor

• scaderea dimensiunilor dispozitivului pentru a micsora timpul de separare.

• analiza efectului campului magnetic asupra proprietatilor biomoleculelor.

9. Optimizari si proiect de viitor