Developing a low cost, highly compact holographic imaging based microfluidic cell sorting system using 3D printing

使用 3D 打印开发低成本、高度紧凑的基于全息成像的微流体细胞分选系统

基本信息

  • 批准号:
    10575747
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 38.98万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2025-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

SUMMARY With advancement in machine vision and deep learning, imaging-based microfluidics have demonstrated their potential to serve as precise single cell analysis and sorting devices for various challenging medical applications including bioprinting and cell patterning, sorting rare cells (e.g., circulating tumor cells, sickle cells) from blood for disease (e.g., cancer, sickle diseases) diagnosis, etc. However, current imaging-based microfluidic cell sorting systems suffer from the issues of low throughput and world-to-chip interfacing. These issues are largely related to the shallow depth of field of conventional microscopic imaging, which significantly restricts the number of cells that can be analyzed per image and increases the complexity and cost involved in fabricating cell sorting chips integrated with imaging and valve actuation capabilities. These issues limit the implementation of such microfluidic systems in clinical diagnostics and treatment, particularly in which target cells are extremely rare in samples. Although different types of high throughput cell sorting microfluidic systems have been developed, they either have insufficient sorting precision or require the integration of different sorting methods, which further increases the system complexity and lowers its reliability. This exploratory R21 project aims to develop a high throughput, low cost and compact solution for imaging- based cell sorting microfluidic devices to improve their appeal for critical clinical applications. Our solution utilizes 3D holographic imaging to overcome the depth of field issue of conventional microscopic imaging, increase the specificity of cell detection, and enables high throughput and high precision cell sorting using microfluidics. We will use multi-material 3D printing technique to generate fast responsive sorting valves and miniaturized holographic imaging sensors with performance that exceeds the ones in the literature. Our approach will not only substantially reduce the cost, time, and enhance the degree of automation for fabricating these microfluidic devices, but also enable sleek and compact microfluidic design, contamination-free fabrication, and superior and consistent imaging quality during hours of operation that is essential for many clinical operations. The 3D printing approach developed in this project can provide the basis for low cost and high efficiency fabrication of a broad range of microfluidic devices used in medical research and clinical applications (e.g., lab-on-a-chip diagnostics, point-of-care systems, organ replication-on-a-chip, and bioassays). The integration of 3D imaging capability with 3D printing will enable new designs of high throughput, high precision, and high specificity microfluidic systems with versatile functionalities that are not available in conventional microfluidics used in medical field. In particular, the cell sorting devices fabricated in this proposed project can significantly speed up the cell-based liquid biopsy for cancer diagnostics and personalized cancer treatment.
概括 随着机器视觉和深度学习的发展,基于成像的微流体学证明了他们的 作为各种具有挑战性的医学应用的精确单细胞分析和分类设备的潜力 包括生物打印和细胞模式,从血液中对稀有细胞(例如循环肿瘤细胞,镰状细胞)进行排序 对于疾病(例如癌症,镰状疾病)诊断等。但是,当前基于成像的微流体细胞 分类系统遭受低通量和片段接口的问题。这些问题主要是 与常规微观成像的浅深度有关,这显着限制了数量 可以根据图像分析的细胞,并增加制造细胞分类的复杂性和成本 与成像和阀致动功能集成的芯片。这些问题限制了这样的实施 临床诊断和治疗中的微流体系统,尤其是靶细胞极为罕见 样品。尽管已经开发了不同类型的高吞吐量细胞分选微流体系统,但它们 要么没有足够的排序精度,要么需要集成不同的排序方法,进一步 提高系统的复杂性并降低其可靠性。 该探索性R21项目旨在开发高吞吐量,低成本和紧凑的解决方案,以成像 - 基于细胞分类微流体设备,以改善其对关键临床应用的吸引力。我们的解决方案利用 3D全息成像以克服常规微观成像的景深问题,增加 细胞检测的特异性,并可以使用微流体启用高吞吐量和高精度细胞分选。我们 将使用多物质3D打印技术来生成快速响应式排序阀并微型化 具有性能的全息成像传感器超出了文献中的传感器。我们的方法不会 仅大大降低成本,时间并增强制造这些微流体的自动化程度 设备,但还可以实现光滑,紧凑的微流体设计,无污染的制造以及优越和 在运行时间内的一致成像质量对于许多临床操作至关重要。 3D打印 该项目开发的方法可以为低成本和高效率制造提供基础 用于医学研究和临床应用中使用的微流体设备范围(例如,芯片诊断实验室, 护理系统,芯片上的器官复制和生物测定)。 3D成像能力与 3D打印将实现高通量,高精度和高特异性微流体系统的新设计 在医学领域使用的常规微流体中,具有多功能功能。尤其, 在此提议的项目中制造的细胞分选设备可以显着加快基于细胞的液体活检 用于癌症诊断和个性化癌症治疗。

项目成果

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