A surface acoustic wave (SAW) microfluidic chip was designed to measure the compressibility of cells and to differentiate cell mechanophenotypes. Polystyrene microbeads and poly(methylmethacrylate) (PMMA) microbeads were first tested in order to calibrate and validate the acoustic field. We observed the prefocused microbeads being pushed into the new pressure node upon phase shift. The captured trajectory matched well with the equation describing acoustic radiation force. The compressibility of polystyrene microbeads and that of PMMA microbeads was calculated, respectively, by fitting the trajectory from the experiment and that simulated by the equation across a range of compressibility values. Following, A549 human alveolar basal epithelial cells (A549 cells), human airway smooth muscle (HASM) cells, and MCF-7 breast cancer cells were tested using the same procedure. The compressibility of each cell from the three cell types was measured also by fitting trajectories between the experiment and that from the equation; the size was measured by image analysis. A549 cells were more compressible than HASM and MCF-7 cells; HASM cells could be further distinguished from MCF-7 cells by cell size. In addition, MCF-7 cells were treated by colchicine and 2-methoxyestradiol to disrupt the cell microtubules and were found to be more compressible. Computer simulation was also carried out to investigate the effect of cell compressibility and cell size due to acoustic radiation force to examine the sensitivity of the measurement. The SAW microfluidic method is capable of differentiating cell types or cells under different conditions based on the cell compressibility and the cell size.

1.
R.
Krishnan
,
J. A.
Park
,
C. Y.
Seow
,
P. V. S.
Lee
, and
A. G.
Stewart
,
Trends Pharmacol. Sci.
37
,
87
(
2016
).
2.
C. T.
Lim
,
E. H.
Zhou
,
A.
Li
,
S. R. K.
Vedula
, and
H. X.
Fu
,
Mater. Sci. Eng. C
26
,
1278
(
2006
).
3.
C. T.
Lim
,
E. H.
Zhou
, and
S. T.
Quek
,
J. Biomech.
39
,
195
(
2006
).
4.
Y.
Nematbakhsh
and
C. T.
Lim
,
Acta Mech. Sin.
31
,
268
(
2015
).
5.
J.
Zhang
,
X. A.
Nou
,
H.
Kim
, and
G.
Scarcelli
,
Lab Chip
17
,
663
(
2017
).
6.
D.
Qi
,
N.
Kaur Gill
,
C.
Santiskulvong
,
J.
Sifuentes
,
O.
Dorigo
,
J.
Rao
,
B.
Taylor-Harding
,
W.
Ruprecht Wiedemeyer
, and
A. C.
Rowat
,
Sci. Rep.
5
,
17595
(
2015
).
7.
M. M.
Brandao
,
A.
Fontes
,
M. L.
Barjas-Castro
,
L. C.
Barbosa
,
F. F.
Costa
,
C. L.
Cesar
, and
S. T. O.
Saad
,
Eur. J. Haematol.
70
,
207
(
2003
).
8.
C. T.
Lim
,
J. Biomech. Sci. Eng.
1
,
82
(
2006
).
9.
H. W.
Hou
,
A. A.
Bhagat
,
A. G.
Chong
,
P.
Mao
,
K. S.
Tan
,
J.
Han
, and
C. T.
Lim
,
Lab Chip
10
,
2605
(
2010
).
10.
J.
Guck
,
S.
Schinkinger
,
B.
Lincoln
,
F.
Wottawah
,
S.
Ebert
,
M.
Romeyke
,
D.
Lenz
,
H. M.
Erickson
,
R.
Ananthakrishnan
,
D.
Mitchell
,
J.
Kas
,
S.
Ulvick
, and
C.
Bilby
,
Biophys. J.
88
,
3689
(
2005
).
11.
H.-S.
Moon
,
K.
Kwon
,
S.-I.
Kim
,
H.
Han
,
J.
Sohn
,
S.
Lee
, and
H.-I.
Jung
,
Lab Chip
11
,
1118
(
2011
).
12.
H. W.
Hou
,
Q. S.
Li
,
G. Y. H.
Lee
,
A. P.
Kumar
,
C. N.
Ong
, and
C. T.
Lim
,
Biomed. Microdevices
11
,
557
(
2009
).
13.
M.
Sato
,
D. P.
Theret
,
L. T.
Wheeler
,
N.
Ohshima
, and
R. M.
Nerem
,
J. Biomech. Eng.
112
,
263
(
1990
).
14.
G.
Binnig
and
C. F.
Quate
,
Phys. Rev. Lett.
56
,
930
(
1986
).
15.
S. B.
Smith
,
Y.
Cui
, and
C.
Bustamante
,
Methods Enzymol.
361
,
134
(
2003
).
16.
K.
Van Vliet
,
G.
Bao
, and
S.
Suresh
,
Acta Mater.
51
,
5881
(
2003
).
17.
J.
Alcaraz
,
L.
Buscemi
,
M.
Grabulosa
,
X.
Trepat
,
B.
Fabry
,
R.
Farré
, and
D.
Navajas
,
Biophys. J.
84
,
2071
(
2003
).
18.
M.
Dao
,
C. T.
Lim
, and
S.
Suresh
,
J. Mech. Phys. Solids
51
,
2259
(
2003
).
19.
M.
Schuliga
,
A.
Javeed
,
T.
Harris
,
Y.
Xia
,
C.
Qin
,
Z.
Wang
,
X.
Zhang
,
P. V. S.
Lee
,
B.
Camoretti-Mercado
, and
A. G.
Stewart
,
Am. J. Respir. Cell Mol. Biol.
48
,
346
(
2013
).
20.
E.
Shojaei-Baghini
,
Y.
Zheng
, and
Y.
Sun
,
Ann. Biomed. Eng.
41
,
1208
(
2013
).
21.
D. R.
Gossett
,
H. T. K.
Tse
,
S. A.
Lee
,
Y.
Ying
,
A. G.
Lindgren
,
O. O.
Yang
,
J.
Rao
,
A. T.
Clark
, and
D.
Di Carlo
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
109
,
7630
(
2012
).
22.
O.
Otto
,
P.
Rosendahl
,
A.
Mietke
,
S.
Golfier
,
C.
Herold
,
D.
Klaue
,
S.
Girardo
,
S.
Pagliara
,
A.
Ekpenyong
,
A.
Jacobi
,
M.
Wobus
,
N.
Töpfner
,
U. F.
Keyser
,
J.
Mansfeld
,
E.
Fischer-Friedrich
, and
J.
Guck
,
Nat. Methods
12
,
199
(
2015
).
23.
J. P.
Beech
,
S. H.
Holm
,
K.
Adolfsson
, and
J. O.
Tegenfeldt
,
Lab Chip
12
,
1048
(
2012
).
24.
M.
Pødenphant
,
N.
Ashley
,
K.
Koprowska
,
K. U.
Mir
,
M.
Zalkovskij
,
B.
Bilenberg
,
W.
Bodmer
,
A.
Kristensen
, and
R.
Marie
,
Lab Chip
15
,
4598
(
2015
).
25.
D.
Hartono
,
Y.
Liu
,
P. L.
Tan
,
X. Y. S.
Then
,
L.-Y. L.
Yung
, and
K.-M.
Lim
,
Lab Chip
11
,
4072
(
2011
).
26.
H.
Wang
,
Z.
Liu
,
D. M.
Shin
,
G.
Chen
,
Y.
Cho
,
Y.-J.
Kim
, and
A.
Han
,
J. Acoust. Soc. Am.
133
,
3280
(
2013
).
27.
T.
Yang
,
F.
Bragheri
,
G.
Nava
,
I.
Chiodi
,
C.
Mondello
,
R.
Osellame
,
K.
Berg-Sørensen
,
I.
Cristiani
, and
P.
Minzioni
,
Sci. Rep.
6
,
23946
(
2016
).
28.
P.
Augustsson
,
C.
Magnusson
,
M.
Nordin
,
H.
Lilja
, and
T.
Laurell
,
Anal. Chem.
84
,
7954
(
2012
).
29.
F.
Petersson
,
L.
Åberg
,
A. M.
Swärd-Nilsson
, and
T.
Laurell
,
Anal. Chem.
79
,
5117
(
2007
).
30.
Y.
Liu
,
D.
Hartono
, and
K.-M.
Lim
,
Biomicrofluidics
6
,
012802
(
2012
).
31.
P.
Augustsson
,
J. T.
Karlsen
,
H. W.
Su
,
H.
Bruus
, and
J.
Voldman
,
Nat. Commun.
7
,
1
(
2016
).
32.
I.
Leibacher
,
P.
Reichert
, and
J.
Dual
,
Lab Chip
15
,
2896
(
2015
).
33.
X.
Ding
,
P.
Li
,
S.-C. S.
Lin
,
Z. S.
Stratton
,
N.
Nama
,
F.
Guo
,
D.
Slotcavage
,
X.
Mao
,
J.
Shi
,
F.
Costanzo
, and
T. J.
Huang
,
Lab Chip
13
,
3626
(
2013
).
34.
G.
Destgeer
and
H. J.
Sung
,
Lab Chip
15
,
2722
(
2015
).
35.
L. Y.
Yeo
and
J. R.
Friend
,
Annu. Rev. Fluid Mech.
46
,
379
(
2014
).
36.
X.
Ding
,
S.-C. S.
Lin
,
B.
Kiraly
,
H.
Yue
,
S.
Li
,
I.-K.
Chiang
,
J.
Shi
,
S. J.
Benkovic
, and
T. J.
Huang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
109
,
11105
(
2012
).
37.
X.
Ding
,
J.
Shi
,
S.-C. S.
Lin
,
S.
Yazdi
,
B.
Kiraly
, and
T. J.
Huang
,
Lab Chip
12
,
2491
(
2012
).
38.
X.
Ding
,
Z.
Peng
,
S.-C. S.
Lin
,
M.
Geri
,
S.
Li
,
P.
Li
,
Y.
Chen
,
M.
Dao
,
S.
Suresh
, and
T. J.
Huang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
111
,
12992
(
2014
).
39.
M. K.
Tan
,
J. R.
Friend
,
L. Y.
Yeo
,
Y.
Zhao
,
S. K.
Cho
,
Z.
Zhang
,
J.
Zhe
,
S.
Chandra
,
J.
Hu
,
S.
Shiokawa
,
J.
Kondoh
,
A.
Wixforth
,
A.
Wixforth
,
C.
Strobl
,
C.
Gauer
,
A.
Toegl
,
J.
Scriba
,
Z.
von Guttenberg
,
C. J.
Strobl
,
Z.
von Guttenberg
,
A.
Wixforth
,
A.
Renaudin
,
P.
Tabourier
,
V.
Zhang
,
J.C.
Camart
,
C.
Druon
,
M.
Kurosawa
,
T.
Watanabe
,
A.
Futami
,
T.
Higuchi
,
K.
Chono
,
N.
Shimizu
,
Y.
Matsui
,
J.
Kondoh
,
S.
Shiokawa
,
J.J.
Bang
,
L. E.
Murr
,
R. M.
White
,
F. W.
Voltmer
,
C.
Glorieux
,
K.
Van de Rostyne
,
K.
Nelson
,
W.
Gao
,
W.
Lauriks
,
J.
Thoen
,
S. J.
Lighthill
,
D.
Hou
,
H. C.
Chang
,
D. J.
Bakewell
,
H.
Morgan
,
J. E.
McDonald
,
J. K.
Varma
,
K. D.
Greene
,
M. E.
Reller
,
S. M.
DeLong
,
J. J.
Trottier
,
S. F.
Nowicki
,
M.
DiOrio
,
E. M.
Koch
,
T. L.
Bannerman
,
S. T.
York
,
M. A.
Lambert-Fair
,
J. G.
Wells
,
P. S.
Mead
,
Student
,
M.
Schindler
,
P.
Talkner
,
P.
Hänggi
,
H.
Li
,
J. R.
Friend
,
L. Y.
Yeo
,
N.
Aboobaker
,
D.
Blackmore
,
J.
Meegoda
,
D.
Leighton
,
A.
Acrivos
,
L. Y.
Yeo
,
D.
Hou
,
S.
Maheshswari
,
H. C.
Chang
,
R. N.
Wenzel
,
J.
De Coninck
,
J.
Ruiz
,
S.
Miracle-Solé
,
M.
Rosenberg
,
D.
Gutnick
, and
E.
Rosenberg
,
Lab Chip
7
,
618
(
2007
).
40.
J.
Shi
,
X.
Mao
,
D.
Ahmed
,
A.
Colletti
, and
T. J.
Huang
,
Lab Chip
8
,
221
(
2008
).
41.
F.
Guo
,
Z.
Mao
,
Y.
Chen
,
Z.
Xie
,
J. P.
Lata
,
P.
Li
,
L.
Ren
,
J.
Liu
,
J.
Yang
,
M.
Dao
,
S.
Suresh
, and
T. J.
Huang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
113
,
1522
(
2016
).
42.
D. J.
Collins
,
B.
Morahan
,
J.
Garcia-Bustos
,
C.
Doerig
,
M.
Plebanski
, and
A.
Neild
,
Nat. Commun.
6
,
8686
(
2015
).
43.
T. J.
Huang
,
J.
Lata
,
J.
Rufo
,
A.
Ozcelik
,
F.
Guo
,
Y.
Gu
, and
P.
Li
,
Nat. Methods
15
,
1021
(
2018
).
44.
J.
Shi
,
H.
Huang
,
Z.
Stratton
,
Y.
Huang
, and
T. J.
Huang
,
Lab Chip
9
,
3354
(
2009
).
45.
Y.
Ai
,
C. K.
Sanders
, and
B. L.
Marrone
,
Anal. Chem.
85
,
9126
(
2013
).
46.
P.
Li
and
T. J.
Huang
,
Anal. Chem.
91
,
757
(
2019
).
47.
Z.
Ma
,
D. J.
Collins
,
J.
Guo
, and
Y.
Ai
,
Anal. Chem.
88
,
11844
(
2016
).
48.
D. J.
Collins
,
A.
Neild
, and
Y.
Ai
,
Lab Chip
16
,
471
(
2016
).
49.
K.
Yosioka
and
Y.
Kawasima
,
Acta Acust. United Acust.
5
,
167
(
1955
).
50.
E. C.
Anderson
,
D. F.
Petersen
, and
R. A.
Tobey
,
Biophys. J.
10
,
630
(
1970
).
51.
A. K.
Bryan
,
V. C.
Hecht
,
W.
Shen
,
K.
Payer
,
W. H.
Grover
, and
S. R.
Manalis
,
Lab Chip
14
,
569
(
2014
).
52.
D. E.
Ingber
,
J. Cell Sci.
116
,
1157
(
2003
).
53.
N.
Nijenhuis
,
X.
Zhao
,
A.
Carisey
,
C.
Ballestrem
, and
B.
Derby
,
Biophys. J.
107
,
1502
(
2014
).
54.
H.
Lüers
,
K.
Hillmann
,
J.
Litniewski
, and
J.
Bereiter-Hahn
,
Cell Biophys.
18
,
279
(
1992
).
55.
G.
Ofek
,
D. C.
Wiltz
, and
K. A.
Athanasiou
,
Biophys. J.
97
,
1873
(
2009
).
56.
D. A.
Skoufias
and
L.
Wilson
,
Biochemistry
31
,
738
(
1992
).
58.
S.
Hirawa
,
T.
Masudo
, and
T.
Okada
,
Anal. Chem.
79
,
3003
(
2007
).
59.
K. W.
Cushing
,
F.
Garofalo
,
C.
Magnusson
,
L.
Ekblad
,
H.
Bruus
, and
T.
Laurell
,
Anal. Chem.
89
,
8917
(
2017
).
60.
N.
Magdy
,
M. A.
Sakr
,
T.
Mostafa
, and
K.
El-Bahnasy
, in 2015 IEEE 7th International Conference on Intelligent Computing and Information Systems (ICICIS 2015, 2016), p. 613.
61.
N.
Nama
,
R.
Barnkob
,
Z.
Mao
,
C. J.
Kähler
,
F.
Costanzo
, and
T. J.
Huang
,
Lab Chip
15
,
2700
(
2015
).
62.
C.
Devendran
,
T.
Albrecht
,
J.
Brenker
,
T.
Alan
, and
A.
Neild
,
Lab Chip
16
,
3756
(
2016
).
63.
T.-D.
Luong
,
V.-N.
Phan
, and
N.-T.
Nguyen
,
Microfluid. Nanofluidics
10
,
619
(
2011
).
65.
I.
Leibacher
,
S.
Schatzer
, and
J.
Dual
,
Lab Chip
14
,
463
(
2014
).
66.
M. M.
Pasternak
,
E. M.
Strohm
,
E. S. L.
Berndl
, and
M. C.
Kolios
,
Cell Cycle
14
,
2891
(
2015
).
67.
J.
Nam
,
H.
Lim
,
C.
Kim
,
J.
Yoon Kang
, and
S.
Shin
,
Biomicrofluidics
6
,
024120
(
2012
).
68.
R.
Guldiken
,
M. C.
Jo
,
N. D.
Gallant
,
U.
Demirci
, and
J.
Zhe
,
Sensors
12
,
905
(
2012
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.