非牛顿流介电泳微流控芯片通道内可变形颗粒运动机理研究

This project proposes one mathematical model considering the multiphysics coupling and microscale effect to simulate the stress status and movement of deformable particles, which is validated and revised by the experiments based on the former study and advanced research. Considering the study of microparticle manipulation in the microfluidic field, the model mainly focuses on the deformable particles and non-Newtonian fluid, which are similar as the feature of the movement of cells in microchannel. Firstly, the finite element method model for the deformable particle movement driven by dielectrophoresis force in the microchannel of the microfluidics is proposed based on the arbitrary Lagrangian-Eulerian model which is once studied by the applicant on the rigid particle movement. Secondly, one dielectrophoresis chip used for separating the deformable particle is designed in view of the trajectory obtained by the above model. At last, in order to conform to the real field of microfluidics, the particle stress and movement model used for non-Newtonian fluid is built using viscoelastic Oldroyd-B fluid model. The study on this project will provide one workable design method for the microscale cell manipulations and promote study on the quasi biological environment particle manipulations in the future.

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，侧重于可变形颗粒与非牛顿流体更贴近于生物细胞在微通道内运动特性的这一优势，在前期研究与预研工作的基础上，基于微尺度效应、多物理场耦合方法，提出针对可变形颗粒受力与运动轨迹的数值仿真模型，并通过实验数据验证与修改模型，提高模型的可信度。首先，基于早期已完成的使用拉格朗日-欧拉法对刚性颗粒运动仿真的基础上，提出微流控芯片通道内介电力驱动下的可变形颗粒动态仿真有限元模型。其次，依据数值模型获得颗粒轨迹，设计一种基于介电力控制下的可变形颗粒分离芯片。最后，为了更进一步符合微流控芯片的真实应用范围，基于粘弹性流体Oldroyd-B模型，建立非牛顿流体中颗粒受力与运动数值模型。该项研究将为微尺度下生物粒子的控制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环境下细胞的操作研究具有一定的促进作用。

目前，在电动力驱动微尺度颗粒问题的数值分析中，模型建立主要采用刚体假设，并将流体认作牛顿流体，因此无法精准地得到颗粒受力、变形与运动规律，制约了电驱动颗粒操控技术的发展。在国家自然科学基金项目资助下，本项目针对颗粒精准数值计算与操控的需求，采用任意拉格朗日-欧拉法进行界面描述，主要研究了微尺度下，非牛顿流体与牛顿流体中，电动力驱动刚性与可变形颗粒的运动与交互作用。. 针对电动力颗粒输运问题，构造了牛顿流体与非牛顿流体中，电动力驱动颗粒数学模型。揭示了电场与流场耦合作用下，微颗粒受力、运动与变形规律；分析了可变形颗粒在收缩-扩张通道的堵塞与运动过程，设计微通道结构，实现基于尺寸与切变模量的微颗粒分选，进一步扩展电驱动在微流控颗粒控制方面的应用，体现了电驱动控制的优势，可为微流控芯片的细胞分选系统提供了一定的理论与技术基础。在国家自然基金的资助下，本项目已发表学术论文11篇，授权中国发明专利2项。项目开展过程中，毕业研究生2名，资助5人参与学术会议，通过口头报告或墙报方式介绍了本项目的研究成果，取得了较好反响。项目的研究成果将对基于微流控技术的生物细胞操控等领域有一定的推动作用。