Sample preparation is an integral part of bio-medical analysis routines, as it makes specimens of interest compatible with downstream instrumentation. Correct and proper sample preparation is of critical importance for reliable analysis results. However, conventional preparation procedures often entail numerous manual user interactions, which cause variations in sample quality and can lead to biased results. Microfluidics is a promising technology to address these problems since on-chip integration of sample preparation steps, such as volume metering, liquid handling, and sample fixation, can minimize critical user interactions. This thesis explores capillary-driven microfluidic devices for sample preparation of bio-medical specimens in patient-centric blood analysis workflows and laboratory environments. Patient-centric blood analysis, where patients take and send samples to a central laboratory for quality-assured readout, is an emerging field where capillary-driven microfluidic solutions can enable consistent sample preparation in remote locations. Blood plasma, the gold standard in blood analysis routines, is typically extracted by centrifugation, which is not readily available in remote settings. To address this limitation, we realized a microfluidic device for capillary-driven blood plasma separation from undiluted human whole blood. Based on this approach, we developed a device that generates a volume-defined dried plasma spot ready to be shipped to a laboratory for mass spectrometry. Using the same plasma separation approach, we developed a device that performs the critical analyte binding step of a multiplexed immunoassay at the time of sample collection. Sample drying and shipment to a laboratory then allow to make use of the unparalleled performance of highly specialized laboratory equipment. Along the same line of patientcentric workflows, we showed that specially treated dry blood samples enablered and white blood cell quantification with good correlation to gold standard hematology analyzer data. In addition, this thesis describes microfluidic devices that prepare samples in laboratory environments. We present microfluidic alternatives to manual procedures for the preparation of virus particles and proteins for transmission electron microscopy, and for the preparation of liquid biopsy samples for cytology investigations.

Provberedning är en kritisk del i biomedicinska analysrutiner för att göra prover kompatibla med instrument i analysens senare moment. Korrekt provberedning är kritiskt för att få pålitliga analysresultat. Konventionell provberedning innehåller dock ofta flera manuella steg, vilket orsakar variation i provkvalitet och kan leda till felaktiga resultat. Mikrofluidik är en lovande teknologi för att hantera dessa problem. Genom att integrera provberedningssteg som exempelvis volymmätning, vätskehantering och provfixering på ett mikrofluidiskt chip, kan manuell interaktion med provet minimeras. Den här avhandlingen utforskar kapillärdrivna mikrofluidiska chip för provberedning av biomedicinska prover för analys i både patientcentrerade arbetsflöden och labbmiljöer. Patientcentrerad blodanalys, där patienterna själva tar och skickar provet till ett centralt labb för kvalitetssäkrad avläsning, är ett framväxande fält där kapillärdrivna mikrofluidiska lösningar kan möjliggöra pålitlig provberedning även utanför labbet. Blodplasma är guldstandard i blodanalysrutineroch extraheras vanligtvis med centrifugering – en utrustning som sällan finns tillgängligt utanför en labbmiljö. För att adressera denna begränsning så utvecklade vi ett mikrofluidiskt chip för kapillärdriven blodplasma-separation från outspädda helblodsprover från människa. Baserat på denna teknik för blodplasma-separation utvecklade vi två olika chip. Det ena extraherar en specifik volym blodplasma som torkar in, och är därefter redo att transporteras till ett labb för masspektrometri. Det andra utför den kritiska analytbindningen i multiplexa immunanalyser under tiden som provet tas. Intorkning av vätskeprovet och efterföljande transport till ett labb möjliggör användandet av högspecialiserad labbutrustning. Vi visar även att en speciell behandling avtorkade blodprover gör det möjligt att kvantifiera röda och vita blodkroppar med god korrelation till guldstandard inom hematologi. Utöver detta beskriver den här avhandlingen mikrofluidiska chip som förbereder prover i labbmiljöer. Vi presenterar mikrofluidiska alternativ till manuella procedurer för beredning av viruspartiklar och proteiner för transmissionselektronmikroskopi och för beredningen av biopsiprover i vätskeform för cytologiska utvärderingar.

Cysts, closed sac-like structures filled with fluid or air, can form anywhere in the body. In the majority of cases, cysts are benign (not cancerous). However, these structures can also be precursors of cancer, pointing to the location where cancer can originate. This makes cysts a prime location for examination, especially when they occur in the pancreas. Pancreatic cancer has the lowest survival rate after five years in 2023 (12%) due to the late diagnosis, limiting treatment options. Fine-Needle Aspiration (FNA) is a diagnostic technique used to aspirate the liquid content of cysts. The liquid may possess cells used to determine cyst malignancy, yet up to 66% of samples have little to no cells.

Firstly, we introduce a new concept of brush: the loop brush. Unlike traditional brushes with a handle and a block of bristles, the loop brush consists of a handle and a loop-shaped wire. The loop of loop brushes can be compressed within the inner diameter of an FNA needle and autonomously expanded to the size of cysts. Loops can be made of nitinol or commercially available absorbable sutures such as Monocryl, PDS II, and Catgut. Loop brushes increase the cell yield of modeled cysts by an order of magnitude and are, apparently, as safe as standard FNA (FNA without a loop brush). Such brushes could present a promising solution to the lack of cells in liquid samples of cysts, increasing treatment options and producing better, cost-effective care for patients.

Secondly, we present a hand-sized microfluidic device to prepare rapid on-site evaluation(ROSE) of FNA samples. During ROSE, FNA samples are prepared by cytopathologists in the operating room for further inspection with a microscope. However, cytopathologists are often time-limited, preventing the dissemination of ROSE. Our device allows sample preparation with minimum chemical quantities and the potential to be implemented by all healthcare providers. This microfluidic device would allow the dissemination of ROSE, preventing the need for patients to return to the OR and accelerating diagnosis.

Cystor, stängda säckliknande strukturer fyllda med vätska eller luft, kan bildas överallt i kroppen. I majoriteten av fall så är cystor godartade, dvs icke cancer-bildande. Cystor kan dock utgöra förstadier till cancer, och indikera var cancer kan börja bildas. Detta gör cystor till utmärkta kandidater för undersökning, särskilt om de uppstår i pankreas. Pankreascancer har lägst grad av överlevande av alla cancertyper efter 5 år i 2023 (12%) pga sen diagnostik och begränsade behandlingsmetoder. Finnålsaspiration (FNA) är en diagnostisk Teknik som används för att aspirera vätska ur cystor. Den här vätskan kan innehålla celler som kan analyseras för att avgöra om cystan är god- eller elakartad, men upp till 66% av prover som tas har lite eller inga celler.

I första hand introducerar vi ett nytt borstkoncept; loop-borsten. Till skillnad från traditionella borstar med ett handtag som har borsthår på slutet, så består denna borste av ett handtag och en loop-formad tråd. Loopen kan komprimeras inuti en FNA-nål och självmant expanderas för att fylla cystvolymer. Dessa loopar kan göras av nitinol eller kommersiellt tillgängliga resorberbara suturer så som Monocryl, PDS II och Catgut. Loop-borsten ökar den mängd celler i cystmodeller som provtas med en storleksordning och är lika säker som den standardiserade FNA-tekniken utan loopen. Denna loop kan utgöra en lovande lösning för den brist på celler som tas i vätskeprover från cystor, vilket kan öka behandlingsalternativen och producera bättre  och mer kostnadseffektiva behandlingar för patienter. 

Senare, presenterar vi en mikrofluidisk device, ungefär lika stor som en hand, som skall användas för rapid on-site evaluation (ROSE) av FNA-prover. Under en ROSE-procedur så förbereds FNA-prover av en cytopatolog i operationsrummet för att vidareundersökas i mikroskop. Cytopatologer är dock ofta tidsbegränsade, vilket förhindrar spridningen av ROSE. Vår device tillåter förberedning av provet med minimal användning av kemiska tillsatser och kan potentiellt implementeras av alla sjukvårdsaktörer. Denna mikrofluidiska device skulle möjliggöra spridning av ROSE-metoden och förminska behovet för patienter att återvända till operationssalen och göra den diagnostiska proceduren snabbare.