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Maswiwat,  Kanokkan

Electromanipulation of Ellipsoidal Cells in Fluidic Micro-Electrode Systems

Rostock : Universität , 2007

https://doi.org/10.18453/rosdok_id00000293

http://purl.uni-rostock.de/rosdok/id00000293

Abstract:

Recently, electromanipulation technologies for handling and characterizing individual cells or particles have been applied to lab-on-chip devices. These devices play a role in pharmacological and clinical applications as well as environmental and nanotechnologies. Electromanipulation of ellipsoidal cells in fluidic micro-electrode systems has been studied by numerical simulations, theoretical analysis and experiment. The field distributions in electrorotation chip chambers were analyzed using numerical field simulations in combination with analytical post-processing. The optimal design for two-dimensional electrorotation chips features electrodes with pyramidal rounded tips. Moreover, the three-dimensional electric field distributions in the electroporation and electrorotation chambers were analyzed. The advantage of electroporation chip chambers is to avoid strongly increasing temperatures after pulse application. New chips may be developed for nanoscale applications in the future. New simplified analytical equations have been developed for the transmembrane potential (delta_phi) induced in cells resembling ellipsoids of rotation, i.e. spheroids, by homogeneous DC or AC fields. The new equations avoid the complicated description by the depolarizing factors. Also the dielectrophoretic force expression for spheroidal objects has been simplified. Furthermore, the effects of cell orientation and electric field frequency on the delta_phi induced in ellipsoidal cells were studied. Simplified equations were derived. They show that the membrane surface points for the maximum of delta_phi depend on cell shape, cell orientation, electric cell parameters and field frequency. The theoretical results were compared to electropermeabilization experiments with chicken red blood cells. Experiments confirmed that equations for the transmembrane potential were advantageous for describing the transmembrane potential induced in arbitrarily oriented ellipsoidal cells.

Dissertation Open Access


Einrichtung :
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Gutachter :
Gimsa,  Jan  (Prof. Dr.)
Neumann,  Eberhard  (Prof. Dr.)
Jahr der Abgabe:
2007
Jahr der Verteidigung:
2008
Sprache(n) :
Englisch
übersetzte Zusammenfassung :
In letzter Zeit sind Elektromanipulations-Technologien für die Manipulation und die Charakterisierung von einzelnen Zellen oder Partikeln in Lab-on-Chip Systeme integriert worden. Die neuen Systeme spielen eine Rolle in pharmakologischen und klinischen Anwendungen sowie in Umwelt- und Nanotechnologien. Die Elektromanipulation von ellipsoiden Zellen in fluidischen Mikro-Elektrodensystemen wurde mit Hilfe numerischer Simulation, theoretischer Analyse sowie Experimenten beschrieben. Die Feldverteilung in Elektrorotationskammern wurde mit numerischen Simulationen analysiert und optimert. Als geeignetes Elektrodendesign in zweidimensionalen Elektrorotationskammern erwiesen sich pyramidale, abgerundete Elektrodenspitzen. Zusätzlich wurden die drei-dimensionalen Feldverteilungen in den Elektroporations- und Elektrorotationskammern analysiert, um starke Temperaturerhöhungen durch den elektrischen Puls zu vermeiden. Mit diesen Ergebnissen könnten neue Chips für Anwendungen im Nanometerbereich entwickelt werden. Neue und vereinfachte analytische Gleichungen für das Transmembranpotential (delta_phi), welches in einem homogenen Gleich- oder Wechselfeld in Zellen ähnlich Rotationsellipsoiden, d.h. Spheroide, induziert wird, wurden unter Vermeidung der Depolarisierungsfaktoren hergeleitet. Ebenso wurde die Gleichung für die dielektrophoretische Kraft auf spheroide Objekte vereinfacht, sowie die Effekte von Zellorientierung und Frequenz des Wechselfeldes auf das delta_phi von ellipsoiden Zellen untersucht und vereinfachte Gleichungen abgeleitet. Sie zeigen, dass die Membranpunkte mit maximalem delta_phi abhängig sind von der Zellform, der Zellorientierung, den elektrischen Eigenschaften der Zelle und der Frequenz des Wechselfeldes. Die theoretischen Ergebnisse wurden mit Experimenten zur Elektropermeabilität von Hühnererythrozyten verglichen, die bestätigten, dass die vereinfachten Gleichungen das in beliebig orientierten elliptischen Zellen induzierte Transmembranpotential richtig beschreiben.
DDC Klassifikation :
570 Biowissenschaften, Biologie
URN :
urn:nbn:de:gbv:28-diss2008-0022-3
Persistente URL:
http://purl.uni-rostock.de/rosdok/id00000293
erstellt am:
2008-05-20
zuletzt geändert am:
2018-06-30
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