文摘

作为一个典型的微流控细胞分选技术,尺度依赖的细胞分类近年来吸引了很多利益。摘要尺度依赖的细胞分类方案提出了基于可控非对称掐流采用一浸boundary-lattice波尔兹曼方法(IB-LBM)。上游渠道包括2的几何分支,1过渡通道和4下游分支(D-branches)。模拟是由不同进气道流比、细胞大小和通量的比例出口4的总通量。后发现,随机发布在一个上游分支,细胞排列一行近一个侧壁的过渡通道由于水动力的力量不对称的流动。细胞与不同大小可以通过调节输入不同的下游D-branches D-branch的通量。原则管理D-branch选择细胞获得的一系列数值的情况下执行细胞混合物涉及两个,三个,四个类型的直径。结果表明,对于每一个案例,一个自适应调节流量可以决定细胞混合物有效。

1。介绍

排序不同类别实现纯样品粒子的混合物是生物和医学工程的重视。微全分析系统的快速发展,小样本体积,高通量样品加工,效率高,精确的粒子分离几种代表性需求指导排序方案设计(1]。,相应地,大量粒子排序技术已经在这些年来开发的:例如,fluorescence-activated细胞排序(2- - - - - -4),magnetic-activated细胞排序(5- - - - - -7),双向电泳排序(8,9),和尺度依赖的排序10- - - - - -12]。最后一个已经收到了一个非凡的注意力将很有前途的低成本的优势,效率高,label-free。有四种典型的尺度依赖的排序方法,通常报道,确定性的侧向位移(10,13),捏流分离(讨论)14- - - - - -16),错流过滤(17),和惯性集中排序18]。讨论相对比较简单,因为没有额外的和特定的组织需要的频道,这已经被用于聚合物珠(14],微粒[19),和乳液滴20.)和血液细胞(21近年来]。在上述研究中,一个不对称的流动分离方案(AsPFF)提出实验首先高木涉et al。19)据报道,进行连续分离和收集1.5 ~ 5μ米粒子;它被虐的传统讨论值得注意的是,虽然仍有一些方面可以改进,例如,执行一个水动力分析和进一步发展积极和可控细胞或粒子分选机。

在目前的研究中,数值AsPFF细胞分类器模型建立了一个沉浸boundary-lattice波尔兹曼方法(IB-LBM),渠道结构,流,多个大小的细胞,和他们的相互作用。基于模型,细胞与规定的大小可以输入所需的操纵D-branch只需调节一个D-branch的通量(或一个出口的压力)。数值结果表明,数值细胞分选仪是有效执行一个活跃的和可控细胞排序,这表明AsPFF的一种改进方案,是有价值的指导在微流控芯片上细胞分选仪的实验设计。

2。模型和方法

2.1。数学模型

在数值模型中,流体运动是通过加快解决D2Q9格点模型。单一弛豫时间的离散格子波尔兹曼方程模型(26- - - - - -28] 在哪里是粒子的分布函数的速度在位置和时间,时间步长,平衡分布函数,是无量纲的弛豫时间,是身体力量。在二维nine-speed D2Q9模型(29日),给出如下: 在哪里是晶格间距。在(1),和计算了(26,30.] 在哪里定义的重量吗,为来,为来,是流体的速度,定义的音速吗,是身体力量作用于液体。相关的弛豫时间的流体的运动粘度

一旦粒子密度分布是已知的,宏观物理量,包括流体密度、速度和压力,然后计算

虽然从微观晶格玻尔兹曼方法是原始的描述流体行为,宏观连续性(6)和动量方程(7)可以恢复它通过查普曼豆科格多尺度分析(31日]。然后加快也许可以被视为一种解决宏观的n - s方程:

IB-LBM框架,首先解决了流体运动加快;然后沉浸边界的位置在一次性的步骤可以更新通过(32] 在哪里细胞膜的位置吗在时间。膜速度和吗是流体的速度。晶格边长;的附近地区膜δ函数定义的(33- - - - - -35]: 在哪里

在(9)和(10),表示模型的总尺寸。fluid-structure-interaction执行由下列方程(27,32,33,36]: 在哪里拉格朗日力是作用于细胞膜周围的液体。在目前的研究中,细胞模型提出了 在哪里拉伸力,弯曲力,是膜上的法向力控制细胞不可压缩性,然后呢是薄膜壁挤压作用于细胞。四个力组件(33,37- - - - - -39] 在哪里,,,的常系数对应的组件。在(15),是进化的细胞区域,引用单元格区域,是单位法向量指向液体。在(16),血管壁的位置,是截止距离薄膜壁相互作用的有效范围。

2.2。物理模型和仿真设置

细胞分类的几何模型如图1上游,包括2分支(U-branches), 1过渡通道和4下游分支(D-branches)。U-branches和D-branches分支用数字标记,以及相应的进水口和出水口。两个U-branches和对称中心线垂直过渡通道。过渡通道连接U-branches和一个圆形缓冲区组装四个D-branches的入口。连续D-branches 1和4,2和3是折叠为方便进行网点的边界条件;1和4也对称中心线的过渡通道,以及2和3。整个长度和宽度的设备是458μ米和400μm,分别。进口1和入口2的宽度是70.71μm。掐段的宽度是30μm。出口的宽度1,出口4,展开媒体2和3的一部分是26μm。折叠部分门店2和3的宽度是23μm。被定义为(19),D-branch的通量,是缓冲中心和出口之间的压力差,然后呢微通道产生的流动阻力。为了流量平均分配给所有D-branches在同样压力边界条件,在所有D-branches应该一律平等。一个方法,使等于被描述为两个步骤。首先,设置所有出口的压力是相同的。第二,改变的折叠部分的长度D-branches 2和3,直到稳定流动的所有媒体都是平等的。排序不同大小的细胞时,设置网点的压力1,2和3是相同的,而出口的压力4是regulatable D-branches的流动可以通过改变出口压力重新分配。量化流程的重新分配的容量调节的流动出口4,我们定义,大意味着更大的流量通过出口4和小流量通过1、2和3。此外,由于流动阻力在每个D-branch是一样的,是成比例;即调节流可以简单地意识到通过调节压差;这意味着也可以被定义为。

3所示。结果与讨论

3.1。验证

在这里仔细验证的方法和模型进行模拟流过去的静止的圆柱体。这种模拟是由雇佣IB-LBM模型。计算域如图2。长度和宽度计算域的分别是1000年和800年。缸位于的中心点和和气缸的直径。缸是离散成一系列的点,和两个相邻点之间的间距是0.6。缸利用沉浸边界处理方法(IB)和力反馈原理采用计算汽缸上的力密度,这被描述为(22,40] 在哪里表示流体和沉浸边界之间的相互作用力(气缸)和大-免费的常数,流体速度插值得到的IB,然后呢表达的是油缸的速度。在这里,= 0,因为缸是静止的。在这种情况下,再循环区长度的比值和汽缸直径阻力系数(18),升力系数(19斯特鲁哈尔数),在雷诺数计算40 - 100:

结果如表所示1。如表所示1目前的结果显示,关闭协议一般由其他文献报道的结果。这意味着IB-LBM模型本文采用足够准确。

3.2。确定进气流动比率

为了实现捏流细胞,有必要建立一个适当的掐段过渡通道,就是能使所有的细胞沿侧壁较低的过渡通道。有三个方面建立了段。首先,宽度过渡通道最好设置为最大直径的1.3 ~ 1.5倍的细胞,因为它已被证明更广泛可以减少一部分的流的影响(14]。第二,过渡通道的长度是建议设置为2倍;太久的过渡通道可能导致集中趋势的灵活的细胞,这是不利的控制细胞沿井壁的下降。最后,进气道流比率同样重要的是实现有效单元排序。得到一个合适的一组数值的情况下,通过设置执行和10个,20个细胞和8μ米直径(最小的大小)和随机初始化放置在U-branch 2测试的流的功能。细胞中心位置的过渡通道记录,如图3。

如图3细胞中心位置,当离开了段的增加下降时,最后达到一个相对稳定状态。虽然和似乎更好,这意味着更高的剪切应力,这可能会损害细胞。因此,目前的研究是选择。

3.3。的影响和细胞大小D-Branch选择

在我们的考虑,具体,多个类的细胞有不同的大小可以进入D-branch排序如果每个类。在本节中,参数和细胞大小监管操作一定直径的细胞进入一个D-branch,和一系列的数值例执行的关系、细胞大小和D-branch的选择。建立数值模型,监管从0.1到0.9,0.1的增量。初始直径相同的细胞释放到U-branch 2。针对每种情况的,四个尺寸的细胞直径选为8μ米,16μ米,20μm, 24μm表明D-branch特定的细胞直径更愿意进入。为了消除可能影响细胞的初始位置的D-branch选择,在每种情况下,三个随机放置细胞释放到U-branch D-branch选择考虑。

的D-branch选择刚性圆形粒子可以通过以下实验预测方程(19]: 在哪里是掐段的宽度,标志着图呢1,在出口流出比率4,门店的总数,是粒子直径。根据上述两个方程,粒子将进入th ()D-branch如果范围的范围可以用(描述20.)或(21),(20.)是或3,(21)只是为了。

的预测和数值结果的选择D-branch细胞直径和相关展示在图4。这些结果,11,68个数值结果发现不一致的预测结果,通常发生在过渡细胞输入两个邻国D-branches近似概率。最可能的原因导致11差异是刚性粒子在细胞的预测结果是灵活的。

结果表明,通过调节,8μm和16μm细胞可以发送到任何四个D-branches之一,和一些快照D-branch选择16μm细胞显示在图中5。相比之下,20μm和24μm细胞可以选择三种D-branches标签2,3,4,20μm细胞快照如图6。结果表明,通过调节流量D-branch之一,细胞的直径从8到24μm可以进入不同的D-branches操纵,也给了我们一个灵感与不同大小如果他们进入不同的细胞D-branches在给定。

3.4。尺度依赖的细胞分类

作为讨论的部分3.3、细胞直径不同,可以选择所需的D-branch操纵在一个合适的;这给了我们一个潜在的方案排序细胞混合物与不同大小和信息交互不存在;也就是说,所有的细胞都在混合离散。在本节中,一个连续的尺度依赖的细胞分类,提出了基于的规定。根据图4,很明显,D-branch一定细胞将在一个特定的输入;因此,两个大小排序的细胞一旦进入D-branches不同。例如,在,8μm细胞可以从20到24排序μm细胞自8μm将进入D-branch 1而后者两个将进入D-branch 2,和相同的结果,如果会发生8μm细胞取而代之的是16μm细胞。一些相应的快照显示为数字7(一)和7 (b)。通过这种方式,,它可以预测三个大小的细胞可以排序,他们是8,16日和20μm细胞或8、16、24μm细胞。两种情况的两个快照中显示为数字7 (c)和7 (d),分别。特别是在、8、16、20和24μm预计进入四个不同的D-branches,数值实验结果验证这实际上,表现出图7 (e)。

4所示。摘要和结论

尺度依赖的细胞分类模型与非对称的流动进行数值用浸入boundary-lattice波尔兹曼方法。在模型中,概括为以下三个方面。首先,通道的几何形状设计是根据有效单元排序,在过渡通道的大小控制的部分将详细讨论。第二,参数和分别定义通量比的两个入口和出口的流量比例在所有网点4。被认为是一个适当的值准备细胞分类,在此基础上的规定可以操纵细胞直径不同,进入不同的D-branches。最后,考虑到四个大小的细胞表现出细胞分类的能力,和调节流量的关系,细胞大小和系统D-branch的选择进行了分析。仿真结果表明,细胞直径不同,可以成功地分为不同的D-branches,这一点儿,我们建立的模型是有效的,可为微流控芯片的设计提供一个参考指令排序多个细胞或粒子的大小。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。81301291)和北京高等教育项目(没有年轻的精英老师。YETP1208)。