Magnetische Oberflächen zur kontrollierten Manipulation superparamagnetischer Mikroperlen
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Manipulation superparamagnetischer Mikroperlen mitfunktionalisierten Oberflächen zur Zellmanipulation oder zum Nachweis chemischer oder biologischer Spezies in flüssiger Umgebung stand im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens. In dem Vorhaben konnten wir verschiedene Möglichkeiten zur gezielten Bewegung superparamagnetischer Mikroperlen und auch biologischer Zellen auf funktionalisierten magnetischen Oberflächen aufzeigen. Als Basis zur Manipulation der Mikrobeads dienten lithografisch strukturierte magnetische Schichten in Form periodisch angeordneter magnetischer Elemente und aus magnetischen Elementen geformte Leiterbahnnetzwerke. Unterschiedliche Ansätze zum Transport der superparamagnetischen Beads in flüssiger Suspension wurden dabei erforscht. Dabei konnte der Transport von Beads und von biologischen Zellen durch ein zyklisch aufgeprägtes magnetisches Streufeld an den verschiedensten mikromagnetischen Strukturen erzielt werden. Eine gerichtete Bewegung der Mikroperlen entlang unterschiedlicher magnetischer Strukturen wurde dabei insbesondere mithilfe variabler magnetischer Feldprotokolle realisiert. Insbesondere durch das Anlegen zeitlich- und winkelvariierender Magnetfelder konnten auch hydrodynamische Effekte genutzt werden, die auch die Separation unterschiedlicher Spezies von Beads erlaubten. Diese dynamischen Effekte waren zu Anfang des Projekts nicht vorhergesehen. Insbesondere ist es uns gelungen die Untersuchungen durch detaillierte numerische und analytische Simulationen entscheidend zu unterstützen. Insgesamt konnten wir neue Wege zur Manipulation markierter biologische Objekte aufzeigen. Die im Projekt demonstrierte kontrollierte Transport von Mikroperlen und biologischen Zellen über längere Strecken und die gezeigte Separation von biologischen Objekten in einer mikrofluidischen Umgebung, ermöglicht neue Konzepte im Design von Lab-On-Chip Geräten. In einem möglichen zukünftigen Projekt könnte man sich insbesondere der Kopplung mit lokalen Analysestationen widmen. Auch die Implementierung komplexer magnetischer Strukturen in einer mikrofluidischen Zelle zur Steuerung biologischer Zellen, d.h. unter Bewegung in einem fließenden Medium, wäre eine mögliche zukünftige Forschungsrichtung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Magnetomechanics of superparamagnetic beads on a magnetic merry-go-round: from micromagnetics to radial looping. Journal of Physics D: Applied Physics, 50(13), 135003.
Sajjad, Umer; Bahne, Holländer Rasmus; Klingbeil, Finn & McCord, Jeffrey
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A Trisymmetric Magnetic Microchip Surface for Free and Two‐Way Directional Movement of Magnetic Microbeads. Advanced Materials Interfaces, 5(22).
Sajjad, Umer; Lage, Enno & McCord, Jeffrey
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Evaluating and forecasting movement patterns of magnetically driven microbeads in complex geometries. Scientific Reports, 10(1).
Klingbeil, Finn; Block, Findan; Sajjad, Umer; Holländer, Rasmus B.; Deshpande, Sughosh & McCord, Jeffrey
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Efficient flowless separation of mixed microbead populations on periodic ferromagnetic surface structures. Lab on a Chip, 21(16), 3174-3183.
Sajjad, Umer; Klingbeil, Finn; Block, Findan; Holländer, Rasmus B.; Bhatti, Shehroz; Lage, Enno & McCord, Jeffrey
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Unidirectional transport of superparamagnetic beads and biological cells along oval magnetic elements. Applied Physics Letters, 118(23).
Block, Findan; Klingbeil, Finn; Deshpande, Sughosh; Sajjad, Umer; Seidler, Dennis; Arndt, Christine; Sindt, Sandra; Selhuber-Unkel, Christine & McCord, Jeffrey
