Ziel des Projekts war es, eine mikrofluidische Plattform zu schaffen, die lebende Zellen ohne Etiketten sortieren kann, indem sie ihr mikroskopisches Erscheinungsbild mit quantitativer Phasenbildgebung analysiert und sie mit Dielektrophorese (DEP) steuert. Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IZI-BB) leitete das Design, die Herstellung und den Betrieb der mikrofluidischen Chips, während das deutsche Unternehmen GeSiM mbH die Chiptechnologie lieferte. Die israelischen Partner von der Universität Tel Aviv und DYN Diagnostics lieferten das Know-how für die Bildgebung und die Analytik. Die Arbeit wurde über 36 Monate mit 50 Projektmitarbeitern durchgeführt und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 13GW0283A finanziert.
Der technische Kern der Arbeit war die Optimierung der Elektrodengeometrie, um die DEP-Kraft im Verhältnis zum hydrodynamischen Widerstand zu maximieren. Es wurden fünf verschiedene Elektrodenwinkel hergestellt und in DEP-Chips getestet. Theoretische Schätzungen der hydrodynamischen und dielektrophoretischen Kräfte wurden mit experimentellen Daten verglichen, was eine gute Übereinstimmung zeigte und das Modell als Designwerkzeug validierte. Flache Elektrodenwinkel (≈5°) erlaubten die höchsten Flussraten bei voller Auslenkung der Zelle. Bei niedrigen Spannungen (0,84-4,18 V) und Flussraten von 100-200 µl h-¹ wurden 100 % der ankommenden Zellen erfolgreich umgelenkt. Die Beziehung zwischen der Flussrate und der durchschnittlichen Zellgeschwindigkeit war linear, was bestätigt, dass das System die Zellpositionen für ein präzises Elektroden-Timing vorhersagen kann.
Die Effizienzmessungen wurden durchgeführt, indem Zellen bei Flussraten zwischen 10 und 50 µl h-¹ und Spannungen von 0,84 bis 4,18 V durch einen Chip mit 5°-Elektroden geleitet wurden. Die Ablenkungseffizienz wurde gegen diese Parameter aufgetragen. Dabei zeigte sich, dass höhere Spannungen höhere Flussraten kompensieren und eine hohe Sortiertreue beibehalten. Die Geschwindigkeitsverteilung der einzelnen Zellen wurde ebenfalls charakterisiert. Es wurde eine Streuung der Geschwindigkeiten aufgrund der Zellgröße, der Form und der Position im parabolischen Flussprofil beobachtet, aber die mittlere Geschwindigkeit skalierte linear mit der vorgegebenen Flussrate.
Aus dem Projekt gingen zwei Patentanmeldungen hervor: DE 10 2020 120 425.6 für ein fluidisches Mikrosystem zur DEP-Manipulation von Schwebeteilchen und US 63/054.321. Es wurden mehrere von Experten begutachtete Artikel und Konferenzpräsentationen verfasst, und ein hochwirksames Zeitschriftenmanuskript (angestrebter Impact Factor >15) ist in Vorbereitung, um die hochauflösende Sortierfähigkeit zu präsentieren. Die Arbeit demonstriert eine einzigartige Kombination aus markierungsfreier Sortierung mit hohem Durchsatz und phasenbasierter Zellcharakterisierung und füllt damit eine Marktlücke, in der bestehende Geräte entweder nicht sortieren oder mit sehr geringem Durchsatz arbeiten.
Zu den Herausforderungen der Zusammenarbeit gehörten die geografische Entfernung zwischen den deutschen und israelischen Partnern und die Unterbrechungen durch die COVID-19-Pandemie, die persönliche Besuche einschränkte. Die Kommunikation wurde durch regelmäßige Web-Meetings, Telefonate und E-Mails aufrechterhalten. Trotz dieser Hindernisse hat das Projekt seine Meilensteine erreicht und eine robuste Plattform geschaffen, die einzelne Zellen für nachgelagerte Einzelzellanalysen bereitstellen und die klinische Diagnostik seltener, klinisch relevanter Zellpopulationen möglicherweise beschleunigen kann.