Plastics and their derivatives have forever changed the nature of human activity. Their various material advantages, such as versatility, low cost, and ease of fabrication, have made them essential for virtually all industries. While their resistance to degradation is often considered one of their greatest traits, it has also been found to be a significant danger. As proper disposal methods fail, large plastics slowly degrade into micro and nanoplastics. These contaminants are extremely small, hard to detect, and challenging to remove from both the environment and consumer goods. This leads to their accumulation in all ecosystems and in the human body, raising questions for policymakers and society at large about how dangerous these contaminants actually are. For this reason, novel monitoring solutions must be developed to enable micro and nanoplastic sample preparation and identification, so that the lifecycle of plastics can be studied and their impact on human life can be better understood.

To address the challenge of managing contaminants at these size ranges, acoustofluidics – a fusion of acoustic actuation and microfluidics – is a promising candidate due to its ability to manipulate particles even during flow. The work presented in this thesis focuses on developing an acoustofluidic platform, termed the EchoGrid, capable of trapping micro and nanoplastics at throughputs traditionally considered unattainable for both microfluidics and acoustofluidics, in a way that is compatible with endpoint analysis.

In Paper I, we presented the EchoGrid as a novel device capable of enriching microplastics at high flow rates. Additionally, we developed the silica-enhanced seed particle method to address samples with low concentrations of microplastics, while further increasing the flow rate. We also evaluated the complex manner in which microplastics of different sizes organize themselves around a silica cluster.

Status: Accepted. 

Reference: Costa, M., Hammarström, B., Van Der Geer, L., Tanriverdi, S., Joensson, H. N., Wiklund, M., & Russom, A. (2024). Echogrid: High-throughput acoustic trapping for enrichment of environmental microplastics. Analytical Chemistry, 96(23), 9493–9502.

In Paper II, we reported on the EchoTilt, a microfluidic method using the EchoGrid to maximize nanoplastic capture by manipulating the way the acoustic field interacts with the sample flow lines. This was achieved by altering the angle at which the transducer was integrated with the microchannel, an angle determined through the use of simulation and algorithms. Here, we also demonstrated that the silica-enhanced seed particle method can capture very small nanoplastics, as small as 25 nm, at high throughput.

Status: Submitted to Micromachines.

In Paper III, we presented a study using fluorescence imaging and Raman spectroscopy to examine the geometry and internal structure of the acoustic clusters levitated by the EchoGrid, investigating how microparticles of different sizes organize themselves around and within the silica clusters. We also successfully detected different types of plastic in the same acoustic cluster, paving the way for handling complex, real-life samples.

Status: Manuscript

In Paper IV, we employed an elasto-inertial microchannel for size-based separation using a non-Newtonian fluid, achieving highly selective microparticle focusing relevant to environmental and biomedical applications. This comprehensive study evaluated the impact of particle size, flow rate, viscoelasticity, and channel dimensions on the ultimate focusing positions of the particles.

Status: Accepted. 

Reference: Tanriverdi, S., Cruz, J., Habibi, S., Amini, K., Costa, M., Lundell, F., Mårtensson, G., Brandt, L., Tammisola, O., & Russom, A. (2024). Elasto-inertial focusing and particle migration in high aspect ratio microchannels for high-throughput separation. Microsystems & Nanoengineering, 10(1), 87.

In Paper V, we extended elasto-inertial separation to nanoparticles, highlighting how size affects focusing quality when combined with different concentrations of viscoelastic fluid. Additionally, we successfully achieved focusing of biomedical nanoparticles essential for medical diagnostics at size ranges not seen before in microfluidics.

Status: Manuscript

Plaster och deras derivat har för alltid förändrat karaktären av mänsklig aktivitet. Deras olika materialfördelar, såsom mångsidighet, låg kostnad och enkel tillverkning, har gjort dem oumbärliga för i princip alla industrier. Plasternas motståndskraft mot nedbrytning har hyllats som en av deras främsta egenskaper, men har även visat sig vara en betydande fara. När korrekt avfallshantering misslyckas, bryts större delar av plast långsamt ner till mikro- och nanoplaster. Dessa föroreningar är extremt små, svåra att upptäcka och utmanande att ta bort från både miljön och konsumentprodukter. Detta leder till deras ackumulering i alla ekosystem och i människokroppen, vilket i sin tur väcker frågor hos beslutsfattare och samhället i stort om hur farliga dessa föroreningar egentligen är. Av denna anledning bör nya övervakningslösningar utvecklas för att möjliggöra provberedning och identifiering av mikro- och nanoplaster så att plasternas livscykel kan studeras och deras påverkan på människor bättre kan förstås. 

För att hantera utmaningen att kontrollera föroreningar i dessa storlekar är akustofluidik – en sammanslagning av akustisk manipulering och mikrofluidik – en lovande kandidat. Detta beror på dess förmåga att manipulera partiklar även under flöde. Arbetet som presenteras i denna avhandling fokuserar på att utveckla en akustofluidisk plattform, kallad EchoGrid, som kan fånga mikro- och nanoplaster även vid genomflöden som traditionellt anses oåtkomliga för både mikro- och akustofluidik på ett sätt som är kompatibelt med slutpunktsanalys. 

I Artikel I presenterar vi EchoGrid, ett nytt instrument som är kapabel att koncentrera mikroplaster vid höga flödeshastigheter. Dessutom utvecklar vi en kiselberikad fröpartikel-metod för att hantera prover med låg koncentration av mikroplaster, där flödeshastigheten ökas ytterligare. Vi utvärderar också det komplexa sättet som mikroplaster i olika storlekar organiserar sig runt ett kluster av kiseldioxid.

I Artikel II rapporterar vi om EchoTilt, en mikrofluidisk metod som använder EchoGrid för att maximera nanoplast-uppfångning genom att manipulera hur det akustiska fältet interagerar med provets flödeslinjer. Detta görs genom att ändra vinkeln vid vilken transducern är integrerad med mikrokanalen, en vinkel som bestämdes med hjälp av simulering och algoritmer. Här bevisar vi även att den kiselberikade fröpartikel-metoden kan användas för att fånga även mycket små nanoplaster ner till 25 nm vid hög genomströmning. 

I Artikel III visar vi en studie baserad på fluorescens och Ramanspektroskopi av den geometri och interna struktur hos de akustiska kluster som leviteras av EchoGrid, och studerar hur mikropartiklar i olika storlekar organiserar sig runt och inom kiseldioxid-klustren. Vi lyckas även detektera olika typer av plast i samma akustiska kluster, vilket banar väg för komplexa, verkliga provtagningar i fält. 

I Artikel IV använder vi en elastoinertiell mikrokanal för att göra storleksbaserad separation med en icke-Newtonsk vätska, och uppnår en hög selektiv fokusering av mikropartiklar som är relevant för miljö- och biomedicinska tillämpningar. Denna studie utvärderar den påverkan partikelstorlek, flödeshastighet, viskoelasticitet och kanalens dimensioner har på partiklarnas slutgiltiga fokuseringspositioner. 

I Artikel V använder vi elastoinertiell separation för nanopartiklar och visar hur storlek påverkar fokuseringskvaliteten när den kombineras med olika koncentrationer av viskoelastisk vätska. Dessutom lyckas vi fokusera biomedicinska nanopartiklar, som är viktiga för medicinsk diagnostik, med samma metod och vid storleksintervall som inte tidigare setts.

Particles in the micrometer and nanometer size range are present in the environment (e.g., microplastics, nanoplastics) as well as in living organisms(e.g., cells, bacteria, tumors, and exosomes) in different forms and structures. Regardless of their compositions, there is a need to understand how these particles can be manipulated for both environmental and biomedical applications.

Nature and our daily lives are surrounded by micro- and nanoplastics. Their presence carries potential risks for the environment and the health of living beings. Although plastics were initially invented because of their advantages in industrial fields, such as low cost and versatility, their degradation results in small particles that are not easy to monitor or detect, and can penetrate into the body while staying in nature potentially for hundreds of years. Their detection, identification, and analysis are crucial to determine their danger level for all. The rise of global plastic production has led to the increasing prevalence of micro and nanoplastics in the environment. The absence of standardized handling methods complicates efforts to manage their environmental impact. The current state of this issue, along with projections for the upcoming years, appears bleak, prompting scientists and legislators to intensify efforts to develop and implement better solutions.

Biological particles, such as bacteria, platelets, circulating tumor cells, or extracellular vesicles, either through their presence or their concentration levels in bodily fluids or tissues, contain critical information about the state of a living organism. Isolation of these particles from blood or plasma is crucial to enable downstream analysis needed to assess the current status of a patient. Thus, high-throughput and high-resolution particle manipulation are needed for diagnostics and therapeutical applications.

In this thesis, we presented novel microfluidic devices with high aspect ratio geometries utilizing elasto-inertial microfluidics. These devices show a capacity to manipulate both micro- and nanoplastics, and biological particles.

In Paper I, we reported a microfluidic device comprising a single-inlet and high aspect ratio straight microchannels with two sections: focusing and migration section. Here, we aimed at focusing microparticles in the focusing section and then separating pre-focused particles based on their sizes in the migration section. Moreover, we presented an extensive study on particle focusing, investigating parameters affecting particle focusing, such as particle size, viscoelastic concentration, flow rate, and channel geometry. Finally, we showed how to increase throughput of the system by increasing the channel depth. The presented results demonstrate the potential of high aspect ratio microchannels in an elasto-inertial microfluidics setup for applications that require high throughput and high-resolution particle separation.

In Paper II, we presented a high aspect ratio microchannel with a smaller channel width than the one presented in the first paper. Here, we demonstrated, for the first time, the focusing of submicron particles down to 25 nm using elasto-inertial microfluidics. Furthermore, we confirmed these results using biological nanoparticles, namely liposomes and exosomes. Focusing of such small biological particles in a low-cost microfluidic device has great potential for developing further particle manipulation strategies in biomedical applications.

In Paper III, we presented a method that combines elasto-inertial microfluidics and optical coherence spectroscopy. A typical elasto-inertial microfluidic setup employs fluorescently labelled particles and a fluorescence microscope to track the position of the labelled particles. However, such a setup can only provide two-dimensional information. Using optical coherence microscopy, information about the third dimension in a microfluidic channel can be provided, which is critical to understand particle motion in a viscoelastic fluid.

In Paper IV, we reported a novel acoustofluidic device called the EchoGrid. This device was used for the enrichment of microplastics at high flow rate, which can be used for sample preparation in environmental applications. In addition, we developed a method using silica particles as an enrichment strategy in samples with a low concentration of microplastics.

In Paper V, we improved our findings from Paper IV and worked to capture of nanoplastics by modifying the acoustic field and the sample flow lines. The method relied on the EchoGrid device and the angle of transducer that was integrated in the device. We employed computational methods to determine the optimal angle and demonstrated the capture of nanoplastics down to size of 25nm at high throughput.

Partiklar i storleksintervallet mikro- och nanometer förekommer i miljön (mikroplaster, nanoplaster etc.) och i kroppar hos levande organismers (celler, bakterier, tumörer, exosomer etc.) i olika former och strukturer. Oavsett sammansättning behöver dessa partiklar manipuleras för både miljö- och biomedicinska tillämpningar.

I både naturen och i våra vardagliga liv omges vi av mikro- och nanoplaster, och deras närvaro medför potentiella risker för både miljö och levande organismers hälsa. Ursprungligen utvecklades plaster med sina industriella fördelar, såsom låg produktionskostnad och mångsidighet, i fokus. Emellertid har det uppdagats att nedbrytningen lett till små partiklar som är svåra att upptäcka och kontrollera. Dessa partiklar har potential att tränga in i kroppen eller stanna kvar i naturen i hundratals år. Det är därför avgörande att kunna upptäcka, identifiera och analysera dessa partiklar för att fastställa i vilken utsträckning de utgör fara. Den globala ökningen av plastproduktion har lett till en ökande förekomst av mikro- och nanoplaster i miljön. Avsaknaden av standardiserade hanteringsmetoder försvårar insatserna för att hantera deras miljöpåverkan. Den nuvarande situationen, tillsammans med prognoserna för de kommande åren, verkar dyster och får forskare och lagstiftare att intensifiera sina ansträngningar för att utveckla och implementera bättre lösningar.

Närvaro eller deras koncentrationsnivån av biologiska partiklar, såsom bakterier, blodplättar, cirkulerande tumörceller eller extracellulära vesiklar, i kroppsvätskor och vävnader, innehåller viktig information om en levande organism. Isolering av dessa partiklar från blod eller plasma är ett viktigt steg i nödvändiga analyser för att fastställa cellens eller kroppens aktuella tillstånd. Hög genomströmning och högupplöst partikelmanipulation behövs för diagnostiska och terapeutiska tillämpningar.

I denna avhandling presenterade vi nya mikrofluidiska enheter med stort höjd-/breddförhållande, baserade på elasto-inertiell mikrofluidik. Dessa enheter visar sin förmåga att manipulera både mikro- och nanoplaster samt biologiska partiklar.

I Artikel I rapporterade vi om raka mikrokanaler med stort höjd-/breddförhållande och endast ett inlopp, som innehåller två sektioner: en fokuseringssektion och en migrationssektion. Syftet var att fokusera mikropartiklar i fokuseringssektionen och sedan separera förfokuserade partiklar baserat på deras storlek i migrationssektionen. Dessutom presenterade vi en omfattande studie av partikel-fokusering och undersökte alla parametrar som påverkar denna process. Slutligen visade vi hur systemets genomströmning kan ökas genom att öka kanalens djup. De presenterade resultaten visar potentialen för mikrokanaler med stort höjd/breddförhållande i elasto-inertiella mikrofluidiska system för tillämpningar som kräver höggenomströmning och högupplöst partikelseparation.

I Artikel II presenterade vi mikrokanaler med stort höjd/breddförhållande och en smalare kanalbredd än i första studien. Här visade vi för första gången fokusering av submikronpartiklar ned till 25 nm med hjälp av elasto-inertiell mikrofluidik. Dessutom bekräftade vi resultaten med biologiska nanopartiklar, såsom liposomer och exosomer. Fokusering av så små biologiska partiklar i en kostnadseffektiv mikrofluidisk enhet har stor potential för att utveckla ytterligare partikelmanipuleringsstrategier inom biomedicinska tillämpningar.

I Artikel III presenterade vi en metod som kombinerar elasto-inertiell mikrofluidik och optisk koherensmikroskopi. En typisk elasto-inertiell mikrofluidikmetod använder fluorescensmärka partiklar och ett fluorescensmikroskop. En sådan uppsättning ger dock endast information i två dimensioner. Genom att använda optisk koherensmikroskopi får man information om den tredje dimensionen i en mikrofluidisk kanal, vilket är avgörande för att förstå partikelrörelser i viskoelastiska vätskor.

I Artikel IV rapporterade vi om en ny akustofluidisk enhet kallad EchoGrid. Denna enhet användes för att anrika mikroplaster vid höga flödeshastigheter, vilket kan användas för provberedning i miljöapplikationer. Dessutom utvecklade vi en metod som använde kiseldioxidpartiklar för prover med lågkoncentration av mikroplaster.

I Artikel V förbättrade vi resultaten från Artikel IV och riktade in oss på att fånga nanoplaster genom att påverka det akustiska fältet och flödeslinjerna i proverna. Metoden baserades på EchoGrid-enheten och vinkeln på transducern som integrerades i enheten. Vi använde beräkningsmetoder för att justera vinkeln och demonstrerade fångsten av nanoplaster ned till 25 nm med hög genomströmning.