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Kumudesh Sritharan

• The objective of the proposed thesis is to demonstrate the use of surface acoustic wave (SAW) for a chip based microfluidic system. We utilize this unique SAW chip as a nano-pump to move and mix small volumes of liquids in two dimensional and three dimensional channel geometries for both biological and chemical applications. For instance this technique enables us to analyze the complex interplay of the biochemical and physical properties of cells, proteins and chemicals in blood flow conditions. First of all the surface acoustic waves (SAW) are generated using a piezoelectric substrate where metal transducers are deposited to induce an oscillatory deformation on the chip surface. The SAW which is generated hits the solid liquid interface resulting in an acoustic streaming of the liquid. The result is the observation that the SAW can be used to enhance the mixing of parallel fluid streams on a 3-dimensional microchannel which help alleviate the mixing constraints in microfluidicThe objective of the proposed thesis is to demonstrate the use of surface acoustic wave (SAW) for a chip based microfluidic system. We utilize this unique SAW chip as a nano-pump to move and mix small volumes of liquids in two dimensional and three dimensional channel geometries for both biological and chemical applications. For instance this technique enables us to analyze the complex interplay of the biochemical and physical properties of cells, proteins and chemicals in blood flow conditions. First of all the surface acoustic waves (SAW) are generated using a piezoelectric substrate where metal transducers are deposited to induce an oscillatory deformation on the chip surface. The SAW which is generated hits the solid liquid interface resulting in an acoustic streaming of the liquid. The result is the observation that the SAW can be used to enhance the mixing of parallel fluid streams on a 3-dimensional microchannel which help alleviate the mixing constraints in microfluidic channels, thereby making it a faster process. In a similar study, a thermoresponsive polymer called pluronics was utilized as an electrically switchable valve for SAW driven microfluidic systems to create obstacles in channels to distort fluid flows and to indirectly induce mixing. Next we utilize a novel SAW driven microfluidic flow chamber to study the physiological conditions of tumor cell adhesion within our blood vessel. Initially, the SAW driven microfluidic flow chamber was successfully utilized to study the mechanical properties of protein stretching in our blood stream. A large glycoprotein complex known as von-Willebrand Factor (VWF) which is involved in triggering the blood clotting cascade was used to demonstrate that upon a critical shear rate (>=1000 s-1) results in conformational changes to VWF increasing its function as an adhesive protein. Although this mechanism is well known to bind platelets, the shear dependent conformational changes to VWF can also promote melanoma cell adhesion is studied using the SAW driven microfluid flow chamber. To develop a more realistic model of our blood vessel, we were able to develop a cell assay to show VWF secretion from a cultured endothelial cell layer enabling melanoma cell adhesion under hydrodynamic flow. The micropipette aspiration technique is employed to quantify tumor cell adhesion to VWF conformations. The velocity and size measurements of particles (cells, proteins, DNA) were optimized by incorporating a Fourier analysis detection method to the SAW driven microfluidic chip. In my thesis, I discuss the successful employment of SAW as unique micromixer and biochip. The size and flexibility of the SAW chip enables us analyze biological and chemical materials in fluids at the microliter and nanoliter scales as well as to tackle complex issues of microfluidics.…
• In dieser Arbeit wurde eine neue Methode etabliert. Wir untersuchten die Anwendung einer oberflächlich akustischen Welle (Surface Acoustic Wave, SAW) auf einem Chip vermittelten Microfluidic System. Wir zeigten, dass die SAW eine geeignete Methode für die Untersuchung der biologischen Fragestellungen in zwei oder sogar drei Dimensionen war. Wir untersuchten mit dieser Methode das komplexe Zusammenspiel von biochemischen und physikalischen Zelleigenschaften. Die SAW wurde mittels eines piezoelektrischen Substrates vermittelt, der eine oszillatorischen Deformation auf einer Chip-Oberfläche vermittelte. Der SAW interagiert mit der festen Flüssigkeitsoberfläche, was wiederum eine akustische Strömung (Acoustic Streaming) hervorruft. Mittels des SAW können so Flüssigkeiten auf einem 3-dimensionalen Microchannel parallel gemixt werden. Zusätzlich verwendeten wir ein wärmeempfindliches Polymer (pluronics) als elektrische Klappe für die SAW-gesteuerten Microfluidic Systems. Dies erlaubteIn dieser Arbeit wurde eine neue Methode etabliert. Wir untersuchten die Anwendung einer oberflächlich akustischen Welle (Surface Acoustic Wave, SAW) auf einem Chip vermittelten Microfluidic System. Wir zeigten, dass die SAW eine geeignete Methode für die Untersuchung der biologischen Fragestellungen in zwei oder sogar drei Dimensionen war. Wir untersuchten mit dieser Methode das komplexe Zusammenspiel von biochemischen und physikalischen Zelleigenschaften. Die SAW wurde mittels eines piezoelektrischen Substrates vermittelt, der eine oszillatorischen Deformation auf einer Chip-Oberfläche vermittelte. Der SAW interagiert mit der festen Flüssigkeitsoberfläche, was wiederum eine akustische Strömung (Acoustic Streaming) hervorruft. Mittels des SAW können so Flüssigkeiten auf einem 3-dimensionalen Microchannel parallel gemixt werden. Zusätzlich verwendeten wir ein wärmeempfindliches Polymer (pluronics) als elektrische Klappe für die SAW-gesteuerten Microfluidic Systems. Dies erlaubte bessere Mischung der unterschiedlichen Flüssigkeiten. Demnächst etablierten wir eine neue SAW-gesteuerte mikrofluidische Flusskammer, um die physiologischen Eigenschaften von der Adhäsion der Tumorzellen an Blutgefässen zu studieren. Tatsächlich lies die Methode diese Untersuchung zu. Wir zeigten, dass bei einer kritischen Scherrate von (>=1000 s-1), der von-Willebrand Factor (VWF), ein wichtiger Faktor der Blutgerinnung, einer Konformationsänderung unterliegt. Somit kommt es zur Blutgerinnung. Als nächstes entwickelten wir eine Zelluntersuchung, in dem wir die Sekretion des VWF unter hydrodynamischem Fluss untersuchten. Die Messungen der Geschwindigkeit und Größe von verschiedenen Objekten (Zellen, Proteinen, DNA) wurde nach der Fourier Analyse standardisiert. In meiner Arbeit diskutiere ich die erfolgreiche Verwendung der SAW Methode als gemeinsam Micromixer und Biochip. Die Größe und die Flexibilität des SAW Chips erlaubt die Untersuchung der biologischen und chemischen Materialen in Flüssigkeiten in Micro- und Nanoliter-Bereichen.…