Red blood cell shape stability & deformability In single-cell capillary flow: Effects of confinement, age and membrane rigidity

Abstract

The thesis studies red blood cell (RBC) morphology and deformability under microfluidic conditions to reveal their behavior in the microcirculation. Using novel experiments, we analyze how RBC properties, channel geometry, and flow interact. Rectangular channels with height near the RBC diameter and confinement ratios above 0.9 favor distinct croissant and slipper shapes, correlating shear rate with cell elongation. Less confined channels yield varied unstable shapes. We also examine effects of RBC age and membrane rigidity by fractionating cells and altering membranes chemically, finding a reduced formation of stable asymmetric slippers at high flow in aged or stiffened cells. Older cells more often form symmetric croissants, a pattern suppressed by membrane stiffening. Finally, we introduce a deformation index (DI) from compression-expansion tests to quantify deformability and study influences of density and rigidity. Our results enhance understanding of RBC dynamics in confined flows, aiding biomicrofluidic design and hematological diagnostics, and advancing insight into microcirculatory function and disease.

Diese Arbeit untersucht die Morphologie und Verformbarkeit roter Blutkörperchen (Erythrozyten) unter mikrofluidischen Bedingungen, um deren Verhalten im Mikrozirkulationssystem zu verstehen. Mit neuartigen Experimenten analysieren wir das Zusammenspiel von Zell-Eigenschaften, Kanalgeometrie und Strömungsdynamik. Rechteckige Kanäle mit einer Höhe nahe dem Zell-Durchmesser und einer Konfektionsrate über 0,9 begünstigen ausgeprägte croissant- und slipperförmige Formen, wobei eine starke Korrelation zwischen Scherrate und Zellverlängerung besteht. Geringere Konfinierung führt zu vielfältigen instabilen Formen. Außerdem werden Alter und Membransteifigkeit der Zellen durch Fraktionierung und chemische Modifikation untersucht, wobei ¨altere oder versteifte Zellen weniger stabile asymmetrische slipper formen. Ältere Zellen zeigen verstärkt symmetrische croissants, was durch Membranversteifung unterdrückt wird. Abschließend wird mit einem neu eingeführten Deformationsindex (DI) die Verformbarkeit durch Kompressions- und Expansionsversuche quantifiziert. Die Resultate verbessern das Verst¨andnis der Erythrozyten-Dynamik in engen Strömungen und unterstützen die Entwicklung mikrofluidischer Geräte sowie hämatologischer Diagnostik.