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必发官网力学所基于流体粘弹性效应的生物颗粒微流控分离研究获进展

必发官网,微纳尺度颗粒(包括细胞、细菌、人工合成微纳颗粒、生物大分子等)的分离与富集在生物、医学、材料和环境等领域有着至关重要的应用。惯性微流控是近几年能够实现颗粒高通量精确操控的一种新颖微流控方法,现有相关研究主要针对球形颗粒,而实际生物工程应用中所需要处理的颗粒普遍是非球形的,包括盘状红细胞、柱状大肠杆菌、椭球状眼虫藻等。当前,非球形颗粒的相关研究较为缺乏,研究者们一般通过选取等效直径以便将非球形颗粒问题简化为球形颗粒问题。

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颗粒和细胞的连续操控与分离在生物学、医药及工业中具有重要意义。颗粒和细胞能够应用于与颗粒尺度相关的流体作用力比如惯性效应和粘弹性效应而实现分离。简单而言,惯性升力与颗粒直径4次方成比例而粘弹性升力与颗粒直径3次方成比例。在牛顿流体微流控器件中,惯性效应已经获得广泛研究并用于细胞的高通量无标记分离。然而,在高雷诺数下惯性汇聚模式将变得复杂,常常导致不利于分离的多个横向平衡位置。此外,为了成功汇聚更小尺度颗粒,微通道横截面将不得不随之缩小。

近期,中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室胡国庆团队在非球形颗粒的惯性迁移研究方面取得进展。研究人员通过三维直接数值模拟,研究了柱状颗粒和盘状颗粒在矩形微通道内的惯性迁移特性,探讨了柱状颗粒的转动行为及受力变化,系统地考察了通道雷诺数、通道宽高比、颗粒阻塞比、颗粒长细比等参数对柱状颗粒平衡位置的影响,并与球形颗粒进行了对比。通过研究柱状颗粒表面应力随转动角度的变化,发现颗粒近壁端所受应力主导其转动行为;通过分析不同通道雷诺数下柱状颗粒在两种通道内所受惯性升力分布,发现在方通道内始终存在四个稳定平衡位置,而在矩形通道内稳定平衡位置则随雷诺数增大逐渐由两个变为四个;通过对比不同情况下柱状颗粒与球形颗粒的平衡位置,发现柱状颗粒等效直径随雷诺数增大而增大。

微流控惯性效应及应用研究获进展

中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室的研究人员首次实现了在笔直矩形微通道中不同大小颗粒和细胞的无标记、无鞘流、低成本分离。发现不同于传统上只有通道中央存在一个平和位置的汇聚模式:即大颗粒将向靠近侧壁的横向位置移动。通过探索此非常规机理,他们成功实现了大范围内颗粒的完全分离,即大颗粒汇聚在两侧壁面附近而小颗粒汇聚在通道中央。两类二元混合生物颗粒包括MCF-7 肿瘤细胞/红细胞以及大肠杆菌/红细胞均可因其尺度不同而获得好质量分离。此外,通过调控流体的流变性质,即削弱剪切稀化并使之具有低粘度和高动态弹性模量,能够将处理通量相比于现有研究提高至少一个数量级。因其特别简单的直通道构型,通过多通道的并行化可进一步大幅度提高样品处理通量。所发展的方法具有设计简单和通量提高的优势,将拓展粘弹性效应微流控器件在颗粒/细胞等分离上的应用。

研究将加深对柱状颗粒微尺度惯性迁移机制的理解,为非球形颗粒的高通量精确操控提供理论指导。上述研究成果发表在Physics of Fluids上(J. Su, X. Chen, and G. Hu, 2018, 30, 032007),并获得编辑精选(Editor's picks)在首页进行展示,相关工作获得了国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究项目和中科院B类先导项目的支持。

雷诺数和颗粒尺寸对颗粒聚集模式的影响

上述结果发表在Analytical Chemistry,通讯作者为研究员胡国庆。第一作者为博士研究生刘超。同一课题组前期有关牛顿流体惯性效应的研究已发表于Lab on a Chip、 Biomicrofluidics、Physics of Fluids等期刊。研究工作获得了科技部“973”计划和国家自然科学基金支持。