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惯性聚焦微通道ctcs细胞分选策略及影响因素研究

惯性聚焦微通道CTCs细胞分选策略及影响因素研究

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作者：宋辰南昌大学

学位级别：硕士

微流控技术(Microfluidics)是一门在微尺度上通过微管道对流体进行精确控制和操控的科学技术,具有集成度高、人工成本低、节省材料、控制程度高的优点,如今已广泛应用于体外诊断、临床医学等领域。惯性聚焦技术作为近年来微流体最为准... 详细信息

微流控技术(Microfluidics)是一门在微尺度上通过微管道对流体进行精确控制和操控的科学技术,具有集成度高、人工成本低、节省材料、控制程度高的优点,如今已广泛应用于体外诊断、临床医学等领域。惯性聚焦技术作为近年来微流体最为准确且强大的分离方案之一,是一种利用微流体中微粒通过管线迁移在微通道横截面特定平衡位置,并被有效筛选或分离的被动式操纵方案,具备高效率、高可控性、结构简单等技术优点,在细胞计数和筛选方面表现出强大的潜力。另一方面,癌症肿瘤作为影响人类寿命的主要疾病之一,早发现、早诊断、早治疗,仍然是最有效的预防措施,因此,如何筛选并测控循环肿瘤细胞ctcs(circulating tumor cells)在人体血液中的含量就显得尤为重要。本论文针对ctcs细胞和血细胞的分离策略,引入惯性聚焦分选技术,借助于COMSOL软件平台,通过研究通道类型、通道厚度、通道倾斜度、有无鞘流等工艺因素对ctcs细胞的分离效果及聚焦范围,探究最优的惯性聚焦分选策略,以期为癌症肿瘤的早期发现提供一定的理论基础与技术支持。本文利用COMSOL层流和粒子追踪模块,建立了包含MCF-7细胞、He La细胞、WBC细胞和RBC细胞等不同直径大小的四种细胞,其直径分别为24μm、16μm、12μm和8μm,并进一步构建了无鞘液螺旋惯性聚焦微通道模型。研究了网格密度、雷诺数变化对流体轨迹、细胞分离效率、聚焦范围等影响,结果表明:网格密度对细胞分离效率影响远小于1%,流体雷诺数增加会减少四种细胞的聚焦范围,但是流体雷诺数对于无鞘流环形惯性聚焦通道中细胞的聚焦效果和分离效率的影响较小,并且粒径越大的微粒聚焦范围越接近通道内侧。本文建立了单鞘液螺旋惯性聚焦微通道模型,通过改变通道内的流体雷诺数、通道倾斜度、通道平均厚度、鞘流引入角度,研究相关工艺因素对细胞聚焦范围和分离效率的影响。结果表明:鞘流的引入会对微通道内的流体产生的扰动,从而改变流体中微粒运动的轨迹,当流体流速同为0.221 m/s时,相对于无鞘液,具有单鞘液特征的螺旋通道内细胞的聚焦范围缩小了58%。相对于矩形通道,梯形通道因侧壁倾角的引入将导致迪恩涡中心向通道外侧偏移,在外侧产生更强的迪恩流,使得内外侧迪恩涡流强度差进一步增大。细胞所受的合力将使微粒脱离原有的位置并在一定程度增加了细胞收集效率,随着梯形倾角的增大,细胞分离效果更为明显。对于He La细胞,在梯形微通道倾角较小时聚焦于通道中心靠近内壁,随着通道梯形倾角增大,He La细胞聚焦中心逐渐偏向通道外侧的迪恩涡流中心;随着通道厚度的增大,He La细胞聚焦中心由内向外偏移,但当微通道厚度超过155μm时,He La细胞会逐渐脱离原有聚焦位置,转向于聚焦在外侧的迪恩流中心,这将减弱分离效率。改变通道的鞘液引入角度会切实地改变微粒达到平衡位置所需要的通道长度和微粒在出口处的聚焦位置范围,当鞘液引入角度为90°时微粒达到平衡位置所需通道长度最小,鞘液引入角度为120°时微粒的聚焦效果最好。本文建立了单鞘液弯曲惯性聚焦通道,通道长度、截面尺寸、曲率半径等设计与单鞘液通道相同,研究了在雷诺数变化下弯曲通道内细胞的聚焦范围距离、细胞的收集效率。结果表明当雷诺数由85增加至94时,红细胞的聚焦范围急剧收缩,并且聚焦中心由通道中心转向通道外壁;白细胞的聚焦中心也由原来的靠近通道内侧逐渐转向通道中心;在相同条件下,较大粒径的MCF-7细胞几乎聚焦在通道内壁的很小范围内;通过探究细胞的聚焦范围,开发了一种三出口的单鞘液弯曲惯性聚焦通道。当微通道中流体雷诺数为94时,三出口的单鞘液弯曲惯性聚焦通道得到分离纯度和分离效率均为100%的He La细胞和MCF-7细胞,此时分离效果最佳。这一设计完善了分离和提纯循环肿瘤细胞方案的研究,为癌症的早期鉴定取得一定进展。

关键词：微流控惯性聚焦 ctcs细胞数值模拟分离效率

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