《微流中細胞操控動力學機制的一體化模擬系統研究》是依託北京理工大學，由徐遠清擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：微流中細胞操控動力學機制的一體化模擬系統研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：徐遠清
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
細胞操控是開展微流控細胞實驗的重要基礎環節，建立綜合考慮流體、細胞、流道結構和外力等多變數互動作用的一體化細胞操控模擬系統對指導細胞操控方法研究有重要意義。本項目採用浸入邊界法和格子Boltzmann方法複合數值平台實現流體與複雜運動邊界的耦合，通過最佳化建模方法，提出和建立新型彈性細胞力學模型，發展細胞與流道壁面、細胞與外力等的力學作用機制表達方法等研究，建立一種可綜合描述細胞運動、變形、擠壓、牽引等動力學過程的一體化計算模擬系統。套用所建立系統，根據細胞操控目標設計相應流道結構，對微流中細胞的捕獲、懸浮運動控制和錯流過濾三種典型的細胞操控模式進行建模，實現定量化和可視化分析，充分揭示細胞受控運動規律，並輔以實驗驗證。所建立的系統為當前基於微流控技術的細胞操控研究提供了系統和全面的理論分析解決方案，同時也為探索新型的細胞操控方法提供了高效的先導研究手段，進而有力推動微流控細胞實驗技術發展。
結題摘要
背景：微流控晶片中細胞捕捉、運動控制、定位、分離等方法和機理研究對於最佳化及發展新型的微流細胞操控技術十分重要。然而相應細胞操控涉及流體、結構、細胞運動及變形等複雜邊界及力學作用，傳統的計算機模擬方法難以完成全系統方案模擬。因此，研究並探索全面考慮複雜運動邊界及各種力學機制的細胞微流操控模擬方法有十分重要的意義。 研究內容：採用浸入邊界法和格子Boltzmann方法複合數值平台實現流體與複雜運動邊界的耦合，通過最佳化建模方法，提出和建立新型彈性細胞力學模型。通過發展細胞與流道壁面、細胞與外力等的力學作用機制表達方法等研究，建立了一種可綜合描述細胞運動、變形、擠壓、牽引等動力學過程的一體化計算模擬平台。利用建立系統對微流中細胞的捕獲、懸浮運動控制和錯流過濾三種典型的細胞操控模式進行建模，實現定量化和可視化分析，充分揭示了微流中細胞受控運動規律。所建立的平台為當前基於微流控技術的細胞操控研究提供了系統和全面的理論分析解決方案，同時也為探索新型的細胞操控方法提供了高效的先導數值實驗手段。 關鍵成果：基於浸入邊界法和格子Boltzmann方法的複合數值模擬框架，（1）提出、設計、建模實施並最佳化了基於錯流機理的血細胞（白細胞和紅細胞，兩者在體積和硬度上有差異）分離方案。首先重點考慮了圓柱的排列角度對於細胞分離的影響，獲得了最佳的細胞分離參數。之後，設計了更為複雜的圓柱陣列列排布，既考慮了排列角度，也包括圓柱尺寸、間距，細胞釋放周期等對分離兩類細胞的影響，獲得了實現最佳分離效果的參數配置。（2）基於夾流原理，研究了夾流區寬度、Load通道的流率比、細胞的硬度等對兩種細胞分離程度的影響，展示了在不同參數設定下，有差異的分離結果。發展了一種利用控制出口分支通道流量的方法，同時實現了最多四種尺寸不同大小細胞（顆粒）的並行分離。（3）對於懸浮細胞的捕獲，設計了“C”形篩陣列，研究了在“C”形篩陣列結構下的細胞捕獲。通過改變細胞尺寸、通道尺寸、篩間距等參數對細胞捕獲情況進行了對比研究，獲得了理想捕獲方案下的參數配置。 科學意義：發展並建立了一種細胞與流體、流道、外力間互動作用的完備力學描述體系，為開展微流作用下的細胞（微顆粒）操控研究提供了一種相對完備的數值實驗平台。
