title: |
Electromanipulation of Ellipsoidal Cells in Fluidic Micro-Electrode Systems |
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contributing persons: |
Kanokkan Maswiwat[VerfasserIn] |
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134183622 |
Jan Gimsa
, Prof. Dr.[AkademischeR BetreuerIn] |
Eberhard Neumann
, Prof. Dr.[AkademischeR BetreuerIn] |
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contributing corporate bodies: |
Universität Rostock, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät[Grad-verleihende Institution] |
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2147083-2 |
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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.
[English] |
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.
[German] |
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document type: |
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institution: |
Faculty of Mathematics and Natural Sciences |
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language: |
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subject class (DDC): |
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publication / production: |
Rostock
Rostock: Universität Rostock
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2007
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identifiers: |
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access condition: |
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license/rights statement: |
all rights reserved This work may only be used under the terms of the German Copyright Law (Urheberrechtsgesetz). |
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RosDok id: |
rosdok_disshab_0000000028 |
created / modified: |
20.05.2008 / 08.08.2023
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metadata license: |
The metadata of this document was dedicated to the public domain (CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication). |