Development and investigation of microfluidic device produced by additive manufacturing

Abstract

Dolaşımdaki tümör hücrelerinin (CTC'lerin) tam kan örneğinden doğru ve verimli bir şekilde ayrılması, erken kanser tespiti ve tedavi takibi için kritik öneme sahiptir. Ancak mevcut mikroakışkan teknolojileri, yüksek verim, hücre canlılığı ve özgüllük arasında denge kurmakta genellikle zorlanmaktadır. Bu çalışmada, etiketsiz CTC– kan hücresi ayrımı için spiral mikrokanal geometrilerinin optimize edilmesini sağlamak amacıyla hesaplamalı modelleme, deney tasarımı ve üretim stratejilerini birleştiren entegre bir çerçeve sunulmaktadır. Temel bir spiral konfigürasyonla başlayarak, altı temel geometrik ve operasyonel faktör sistematik olarak değişkenlik gösterdi: döngü sayısı, kesit en-boy oranı, spiral yarıçapı, akış hızı, yüzey pürüzlülüğü ve partikül boyutu. Parametre sayısının fazla olması nedeniyle, Minitab kullanılarak Taguchi ortogonal dizi yaklaşımıyla deney matrisi 216'dan 27 simülasyon senaryosuna indirildi. Ayrılma performansını değerlendirmek için COMSOL Multiphysics simülasyonları gerçekleştirildi. Varyans analizi, kesit en-boy oranının (%61,2), döngü sayısının (%13,9) ve akış hızının (%9,4) ayrılma performansı üzerinde en büyük etkiye sahip olduğunu gösterdi. Optimum geometri, 3,333 en-boy oranına ve 6,5 mm spiral yarıçapına sahip dört döngülü bir spiral olarak belirlendi ve simulasyonlarda %97,5 ayrılma verimi ve %97,6 saflık elde edildi. Simülasyon sonuçlarını doğrulamak amacıyla, 400×120 µm kanal boyutlarına sahip optimum tasarım, PDMS döküm için 3D baskılı kalıplarla üretildi. 3 ml/dk akış hızında yapılan deneysel doğrulamalar, 6 µm (kan hücresi boyutlu) ve 12–24 µm (CTC boyutlu) polistiren parçacıklarla simülasyon sonuçlarını onaylayarak başarılı ayrım performansı gösterdi. Devamında, bu PDMS tasarımının entegre Luer portlu, kapalı kanallı 3D baskı formatına dönüştürülmesi üzerine çalışmalar yapıldı. İki-foton polimerizasyon (2PP) mikron ölçekli çözünürlük sunsa da maliyeti yüksek olduğu için ekonomik SLA/DLP teknolojisi tercih edildi. Ancak orijinal 400×120 µm kanallar, SLA baskı ile güvenilir biçimde üretilemedi. Üretim kısıtını aşmak için ek simülasyonlar yapılarak, SLA baskıya uygun kalırken ayrılma verimini koruyan daha büyük geometriler—800×240 µm ve 1200×360 µm— belirlendi ve performansları hesaplamalı olarak doğrulandı. Basınç düşüşü, kesme gerilmesi, Reynolds ve Dean sayısı bağlantılarını içeren akışkanlar dinamiği tabanlı bir yol haritası geliştirilerek inertial odaklanma korunarak boyut büyütme sağlandı. 800×240 µm kanala sahip yeniden tasarım SLA ile üretildi ve deneysel olarak doğrulandı. Birden fazla üretim partisinde polistiren parçacıklarla %84–85 ayrılma verimi elde edildi ve boyut temelli ayrımın tutarlılığı kanıtlandı. Bu bulgular, klinik ve araştırma uygulamaları için ölçeklenebilir mikroakışkan CTC ayrım cihazlarının üretimine uygunluğunu göstermektedir.Accurate and efficient separation of circulating tumor cells (CTCs) from whole blood is critical for early cancer detection and therapeutic monitoring. However, current microfluidic technologies often struggle to balance high throughput, cell viability, and specificity. In this work, we present an integrated framework that combines computational modeling, design of experiments (DOE), and fabrication strategies to optimize spiral microchannel geometries for robust and label-free CTC–RBC separation. Beginning with a baseline spiral configuration, six key geometric and operational factors were systematically varied: loop count, cross-sectional aspect ratio, spiral radius, flow rate, surface roughness, and particle size. Due to the large number of parameters, statistical analysis using Minitab was employed to reduce the experimental matrix from 216 to 27 simulation scenarios through a Taguchi orthogonal array approach. COMSOL Multiphysics simulations were conducted to evaluate separation performance. Analysis of variance showed that aspect ratio (61.2%), loop count (13.9%), and flow rate (9.4%) had the greatest impact on separation performance. The optimal geometry was identified as a four-loop spiral with aspect ratio of 3.333 and 6.5 mm spiral radius, which achieved 97.5% separation efficiency and 97.6% purity in computational simulations. To validate the simulation results, the optimal design with 400 × 120 ?m channel dimensions was fabricated using 3D-printed molds for PDMS casting. Experimental validation at 3 ml flow rate using polystyrene particles (6 ?m representing RBCs and 12–24 ?m representing CTCs) confirmed the simulation predictions, demonstrating successful particle separation with the PDMS-based microfluidic device. Subsequently, efforts were made to transition this PDMS design to a closed-channel 3D-printed format suitable for mass production with integrated Luer ports. Initial attempts using 2PP (two-photon polymerization) were cost-prohibitive, leading to the adoption of SLA/DLP technology for more economical fabrication. However, the original 400 × 120 ?m channel dimensions proved challenging to manufacture reliably with SLA printing. To address this manufacturing constraint, additional simulations were performed to identify larger channel geometries that could maintain separation efficiency while being compatible with SLA printing capabilities. New designs with 800 × 240 ?m and 1200 × 360 ?m channel dimensions were computationally validated for separation performance. A fluid dynamics-based roadmap was developed to guide this redesign, utilizing interconnected equations from basic pressure drop and shear stress to Reynolds and Dean number formulations. The design approach preserved inertial focusing by maintaining equivalent Dean flow behavior while adapting channel dimensions for printer compatibility. The reconfigured design with 800 × 240 ?m channels was successfully fabricated using SLA technology and experimentally validated. The 3D-printed devices achieved separation efficiency of 84–85% using polystyrene particles, confirming that the larger channel dimensions maintained effective size-based separation. The consistent performance across different batches validated the scalability of the manufacturing approach for clinical and research applications.