基于确定性侧向位移芯片的红细胞分选及定向轨迹研究

作     者：吕垚 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴江波

授予年度：2023年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 

主      题：DLD技术 有限元模拟 红细胞模型 红细胞形变 细胞分选 

摘      要：病变或健康红细胞的分选富集是多种血液疾病诊断与研究的必要步骤,需要借助相应的生物微粒分选装置来实现。在众多的微粒分选装置中,基于确定性侧向位移(Deterministic Lateral Displacement,DLD)技术的微流控分选芯片以其成本低、易操控、装置简单、对细胞等生物微粒损伤小等优势,成为细胞生物学、生物技术以及医学等领域的研究热点之一。本文针对确定性侧向位移技术中适用于红细胞等非球形细胞的工字柱阵列开展了实验研究以及仿真分析。本文建立了完整的红细胞流动实验方案,设计并制作了用于分选不同变形性红细胞的工字柱DLD微流控芯片。在芯片的制备方面,选择聚二甲基硅氧烷作为芯片材料,并以此使用软光刻制作方法,制成阵列行间距离不同的两种成品芯片。根据实验的具体需要,搭建由注射泵、倒置显微镜等仪器组成的微流控分选实验平台。从抽取的新鲜全血中制备悬浮红细胞,并通过将红细胞分别放置1天、7天与14天来制作不同变形性的红细胞样本。设计实验步骤并利用处理好的红细胞样品进行DLD芯片内的流动实验,通过高速相机记录显微镜中观察到的红细胞流动轨迹以及芯片出口处的富集效率,验证工字柱DLD芯片的分选性能。通过对实验结果的分析发现,使用工字柱DLD芯片实现了不同变形性的红细胞在芯片中的分选。将不同变形性的红细胞在芯片中的富集倍率进行对比,最终变形性较差的红细胞在芯片中的富集率可达到柔软细胞的三倍。为了更好地节约研究成本并建立更具广泛应用价值的研究方法,建立了具有细胞膜结构的二维囊泡红细胞数值模型,通过在仿真芯片中的模拟流动探究了细胞膜厚度与硬度、细胞质粘度的变化对囊泡红细胞模型变形性的影响。最终通过筛选建立了细胞膜厚度w=0.05μm、细胞膜杨氏模量E=6000Pa、细胞质粘度η=0.045Pa·s的囊泡红细胞模型,并在数值流动计算中对实验结果中的红细胞形变与流动轨迹进行了仿真。随后根据红细胞的形变规律将模型简化为线弹性固体结构,并根据实验结果进行了模型验证。通过对比两种红细胞模型在流动仿真中的计算结果,最终建立了两种适用于不同工况下的红细胞仿真模型。最后,为探究工字形柱DLD阵列中红细胞流动轨迹的影响因素,探寻工字柱DLD阵列的优化方法,本文基于不同的尺寸建立了三种工字形柱,并通过设计布置参数分别构建了相应的阵列。使用固体红细胞模型在这些阵列中进行流动仿真,探究三种不同的柱形对红细胞流动轨迹的诱导效果。进一步改变阵列行间距、周期以及流体流速后,研究红细胞模型流动轨迹的变化。这项研究工作展示了在一系列设计参数不同的工字阵列中红细胞模型的流动轨迹,为工字柱DLD阵列的提供了改进方案。综上本文所进行的研究工作证实了利用工字柱DLD芯片分选不同变形性红细胞的的可行性,还进一步优化了二维红细胞模型,为后续开展更广泛地红细胞流动与分选的研究工作奠定了较好的基础。