基于细胞与管壁交互作用的微流控分离芯片机理研究

本项目以微流控芯片中生物细胞操作的研究工作为应用背景，侧重于压力驱动源的微流控芯片比电动力驱动方式更贴近于生物粒子在生物体内的存活环境和运动方式这一优势，在前期预研工作的基础上，利用微尺度效应，通过多耦合物理场建模、数值仿真和微流道布局优化、以及实验验证相结合的方法，设计制造一种仅需要入口压力驱动源，无需移动部件，即可实现人体血液中红、白细胞的无损高效分离的新型微流控芯片。将建立基于细胞与微流体管道交互作用以及电偶层效应的静电、流体、固体耦合数值模型，并通过实验数据提高模型的可信度，进而利用拓扑优化方法创新性地设计微流控芯片上的流道布局，以达到在有限的设计空间内实现细胞在微流道内快速、有效分离的目的。该项研究将为微尺度下生物粒子的分离操作提供一种切实可行的设计方法，对于未来实现在拟生物生存环境下细胞的操做研究具有一定的促进作用。

利用微流控芯片进行生物颗粒操作的研究工作在近十年来得到了生物和医疗等领域的广泛关注。侧重于压力驱动源的微流控芯片比电动力驱动方式更贴近于生物粒子在生物体内的存活环境和运动方式这一出发点，在本项目的资助下，利用微流体通道的尺度效应，通过流固耦合场建模、数值仿真和布局优化、以及实验验证相结合的方法，开展了无移动部件微流体器件网络布局优化设计理论的研究工作和被动式微颗粒分离器件的研制工作。.基于在固体力学中较为成熟的拓扑优化理论，拓展了密度法和水平集方法在微流体网络的设计理论，涉及到流体流阻、压降比值、出口流量分配、随时间变化驱动力和依赖于设计变量的驱动力等实际情况，分别建立了较为合理的优化设计模型。利用建立的数值模型，系统地设计了无移动微流控关键部件，如微型Tesla阀、微型Nozzle-diffuser阀、微型单向流动泵、微型被动式混和器、以及指定多出口流量的流体网络。这些工作已经对无移动部件微流控芯片的设计形成了一套完整的理论，相应工作已经在工程仿真和优化设计领域发表高水平SCI论文七篇（5篇见刊，2篇已在线），申请获得中国发明专利三项，在本领域高水平国际会议发表会议论文一篇。.在上述设计理论的基础上，设计制造一种仅需要入口驱动源，无需移动部件，即可实现颗粒汇聚、分离的微流控芯片。基于颗粒与微流体管道的流固耦合作用，系统地分析了当颗粒直径与管道关键尺寸在相同数量级时，颗粒在流场drag力和lift力的共同作用下，其运动轨迹与没有颗粒时流场流线的差别。由于流固耦合数值仿真的计算量非常大，很难进行全场的优化设计工作，我们通过数值和实验对比，确定了当微通道的一个特征尺寸较小时，在其中面的流场流线与流固耦合颗粒迹线的吻合程度较高，且其数值计算量在多节点并行计算机上可进行优化设计工作。基于上述工作，我们设计了相应的起伏式双层通道结构，优化了其关键尺寸。在常入口流量驱动下，较大直径颗粒可以较快的汇聚到管道中部，而直径较小的颗粒在相同时间内很难发生相同的汇聚效果，从而实现了会聚、分离效果。利用硅刻蚀工艺和PDMS材料制造了所设计的颗粒分离芯片，搭建了微流控试验平台，利用高速摄像机获得了颗粒在微流道的运动轨迹，实验结果与数值设计结果吻合，该研究工作将为微尺度下粒子的分离操作提供一种可行的设计方法。