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非稳态剪切流下红细胞在异形分选微柱阵列中的变形特性研究

非稳态剪切流下红细胞在异形分选微柱阵列中的变形特性研究

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作者：刘杰兰州理工大学

学位级别：硕士

红细胞的分选和检测技术在血液循环系统疾病的早期诊断、临床治疗和抗病药物研发等医疗领域具有广阔的应用前景。传统的分选及检测方法需借助大型设备,其过程操作复杂、笨重、分选周期长,难以实现临床的快速分选与检测。而确定性侧向位... 详细信息

红细胞的分选和检测技术在血液循环系统疾病的早期诊断、临床治疗和抗病药物研发等医疗领域具有广阔的应用前景。传统的分选及检测方法需借助大型设备,其过程操作复杂、笨重、分选周期长,难以实现临床的快速分选与检测。而确定性侧向位移(Deterministic Lateral Displacement,dld)技术,具有成本低、坚固耐用的优点,能提供高通量、高分辨率的微粒快速分离。但针对红细胞等非球形的可变形生物微粒在确定性侧向位移芯片中的分选及其运动变形特性研究还不够充分,限制了该技术在实际分选和检测中的应用。因此,本文以dld为研究平台,围绕红细胞在其中的运动及变形特性展开研究。首先,基于确定性侧向位移基础理论,分析了微流控芯片的结构周期、侧向间隙、微柱几何形貌、流场初始条件对其临界半径的影响;并基于任意拉格朗日欧拉方法构建了流-固耦合模型,模拟刚性粒子(白细胞、血小板)在“工”形阵列中的运动。分析双向耦合作用下粒子与流体间的相互作用及对粒子运动轨迹的影响,为后文研究超弹性红细胞在流场中的运动和变形提供基础依据。其次,基于有限元方法构建了三维红细胞模型,分析红细胞在静力拉伸作用下材料模型的差异对其力学性能的影响,最终选择与实验结果吻合较高的Yeoh材料模型。后续研究中在兼顾红细胞力学性能的同时,为了解决空间大变形导致的网格畸变问题,对红细胞模型进行了简化。并分析了其厚度(垂直面内方向)d对力学性能的影响,研究结果表明当d=3.91μm时,其变形程度与实验结果基本吻合,该研究为红细胞在剪切流中的形变特性研究提供了基础模型。在此基础上,构建红细胞在微管中运动的流-固耦合模型,分析了剪切流作用下圆管直径、流场初始条件、红细胞的直径及剪切模量对其运动和变形的影响。分别提取红细胞三维和二维模型的变形指数(DI)进行对比,结果表明红细胞在剪切流的作用下,二维模型的变形指数DI≤0.3也能够较为准确的描述其力学性能。为研究后续红细胞在微柱阵列中的运动,提供了可靠的红细胞应力应变特性。最后,设计了能够有效诱导非球形可变形生物细胞翻滚运动的“工”形微柱阵列,并分析了红细胞在该阵列中的运动轨迹和变形程度。研究结果表明,当“工”形微柱的偏移距离Δλ≤1.5μm时,红细胞以“位移”模式运动;当Δλ≥2μm时,红细胞在流场的作用下呈“之字形”模式运动。进一步改变红细胞的弹性特征,发现当红细胞的剪切模量μ≤5.3μN/m时,其在微柱阵列中的运动变形程度较大,无法维持连续稳定的翻滚。表明红细胞在“工”形阵列中的有效分选,需要建立在减小其变形程度的基础上,即红细胞在运动过程中其有效半径应大于临界半径。研究结果可用于更高分离性能的细胞分选芯片结构设计优化,为红细胞的分选通量和精度的提升提供基础依据。

关键词： dld技术临界半径变形指数细胞分选

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基于确定性侧向位移芯片的红细胞分选及定向轨迹研究

基于确定性侧向位移芯片的红细胞分选及定向轨迹研究

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作者：吕垚兰州理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词： dld技术有限元模拟红细胞模型红细胞形变细胞分选

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dld装置中红细胞流动形态的分析与仿真

DLD装置中红细胞流动形态的分析与仿真

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作者：张蕊兰州理工大学

学位级别：硕士

确定性侧向位移(Deterministic Lateral Displacement,dld)是一种基于微粒尺寸实现高效、连续分离微粒的技术,具有分析试剂用量少、检测周期短、精准度高等优点,为微流控芯片诊断取代传统的血液检测开辟了可能。但由于生物细胞在微通道... 详细信息

确定性侧向位移(Deterministic Lateral Displacement,dld)是一种基于微粒尺寸实现高效、连续分离微粒的技术,具有分析试剂用量少、检测周期短、精准度高等优点,为微流控芯片诊断取代传统的血液检测开辟了可能。但由于生物细胞在微通道中运动时具有复杂的动力学行为,该技术目前仅在刚性球形颗粒中得以实现,在生物细胞的分选中受到诸多限制。但生物细胞的变形和分选对于人体循环过程的分析、血液疾病的诊疗以及医疗器械的应用和改进都具有极高的研究价值,这就需要对生物细胞的可变形性进行细致的研究以及精准的建模,并对分选过程中细胞的运动和变形进行全面的分析。本文搭建了双凹形圆饼状红细胞的二维仿真模型,基于流固耦合方法对刚性红细胞和软性红细胞在带有三角柱阵列的dld装置中的流动形态进行了仿真与分析,为利用dld技术分选生物细胞提供参考。论文工作主要包含以下内容:首先,基于细胞的可变形性,分别将生物细胞看作形变微小的刚性红细胞和多相流动的软性红细胞,依此建立了刚性红细胞的线弹性模型和软性红细胞的非牛顿弹性模型,并通过数值计算得到了与理论相吻合的仿真结果;其次,针对刚性红细胞设计了阵列间隙距离Sx=10μm、Sy=8μm的dld装置,针对软性红细胞选择了阵列间隙距离Sx=6μm、Sy=6μm的dld装置。通过改变dld装置三角柱阵列的行移距离、红细胞初始运动位置、流体工质的初始速度以及流体工质的密度、细胞内粘度等参数,分析了影响细胞流动形态的多方因素。最后,总结生物细胞在dld装置中的运动规律如下:红细胞初始运动速度与流场的初始流速接近,约为120-140μm/s。细胞经过柱列间隙处速度达到最大,在dld装置出口处速度呈下降趋势,最终为0。在这个过程中,红细胞所受应力随其运动速度的减小而增大。同时,当细胞与三角柱碰撞发生形态翻滚或在流场力的作用下发生位移的偏转时,表面应力出现峰值。dld装置内三角柱阵列的排布方式会对细胞的运动轨迹产生影响。三角形柱阵列行移距离Δλ≤2.5 μm时,红细胞以“位移”模式运动;Δλ≥ 3μm时,在流场的作用下细胞呈“之字形”模式运动。固定行移距离不变,红细胞初始运动高度不同时也具有完全不同的运动轨迹。流体工质密度和流体初始流动速度增大,细胞在微通道中运动时受到的剪切力增加,因此变形程度增大;细胞内粘度增加,细胞的变形能力下降,当η=0.2Pa·s时,软性细胞在微通道中运动时形变极小,几乎保持双凹形圆饼状的形态。观察软性红细胞在三角柱阵列中的运动发现,细胞出现了“凹点消失”、“胞体折叠”,以及拉伸的“长条状”。细胞在微通道中的运动即是在剪切流场中的运动,与三角柱碰撞时会产生较大形变,进而出现形态翻滚或在流场的作用下发生位移偏转,这说明有望利用带有锋利边缘微柱的dld装置通过改变细胞形变程度达到提高分选效果的目的。

关键词： dld技术刚性红细胞软性红细胞流动形态

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