形变和形状特性对生物粒子惯性迁移行为的影响机理研究

On the basis of our previous studies on inertial focusing mechanisms of rigid polymer microspheres, we propose a novel decoupling study of the inertial migration behaviors of bioparticles with complex features in classic spiral inertial microfluidic devices. First, experiments on migration behaviors of man-made particle models with single controllable features, together with the 3D numerical simulations of inertial flows, will be carried out to probe into the effects of deformation and shape on particle inertial migrations. Then, based on the obtained knowledge on inertial migration, the migration mechanisms of bioparticles with coupled features will be analyzed. Finally, high-throughput and high-sensitivity isolation of malaria-infected red blood cells (miRBCs) from human blood will be conducted according to the deformability difference between iRBCs and healthy RBCs, providing a miniaturized and low-cost tool for the efficient diagnosis of malaria at the early stage of infection.

基于申请课题组前期在刚性聚合物微球惯性聚焦机理方面的研究基础，本项目提出对经典螺旋流道惯性微流控芯片中复杂特性生物粒子的惯性迁移机理进行解耦研究。具体通过实验表征人工制备单特性假体粒子模型的惯性迁移行为，配套开展考虑粒子形变和形状效应的惯性流三维数值模拟，全面掌握单体形变和形状特性对Dean耦合惯性流中粒子迁移行为的影响机理。在此基础上，基于掌握的迁移机理知识库，解析形变和非球形状耦合下生物粒子惯性迁移行为的形成机制；并最终依据形变性差异，指导实现血液中感染疟疾红细胞的高通量、精确分选，为疟疾的早期诊断提供重要微型化工具。

惯性微流控技术巧妙借助微流体的惯性效应实现微粒/细胞的高效操控，已被广泛用于实现细胞的聚焦、排列及尺寸分选等功能。本课题针对惯性微流控芯片中复杂特性细胞的操控机理、惯性流仿真方法、器件设计与应用展开深入的研究，取得的研究成果总结如下：(1) 开发了能模拟Dean耦合惯性流中有限体积粒子迁移运动、形变和转动行为的三维数值模型，为惯性微流控芯片的设计提供计算仿真工具。(2) 研究提出了刚性粒子的惯性聚焦五阶段模型和三种迁移模式；给出了柔性/非球形细胞在复杂弯流道中的聚焦机理，为实现细胞的灵活操控应用提供理论支撑。(3) 开发了新型螺旋流道惯性微流控芯片样机，实现了血液中稀有肿瘤细胞的高通量精确分选，并拓展用于实现血液中致病菌和血浆的高通量分离。(4) 在上述核心单元器件基础上，开发了新型微流控滤头器件、全自动细胞分选仪器及微流式细胞仪，开发的仪器在中大医院和江苏省疾病预防控制中心等单位得到了应用。.在课题的资助下，项目负责人以第一作者或通讯作者在Lab on a Chip、Analytical Chemistry 及Applied Physics Letters 等期刊发表SCI 论文23篇，其中研究亮点/封面论文5 篇，微流控领域顶级期刊6篇，南京市自然科学优秀学术论文一等奖获奖论文1篇，发表于Nanotechnology的封面论文被英国皇家物理学会旗下nanotechweb.org网站做专题报道。申请发明专利13 项，申请国际PCT 专利1 项，授权发明专利4 项(共计专利18项)。课题培养毕业博士生4人，硕士生3人。项目负责人基于该课题的研究成果获评江苏省优秀博士学位论文，东南大学至善青年学者(A类)及江苏省“六大人才高峰”高层次人才。