脉冲式神经元单细胞给药芯片的微纳流动与扩散传质特性

The newly updated technology of pulsatile neural drug delivery oriented to single cells, requests extremely high resolutions of drug dosage, stimuli time, pulse frequency control and mechanical effect on ion channel of cell membrane. This topic is based on micro/nano flow and transport theory to establish models to illustrate the relationship between the delivery outcomes, such as temporal and spatial decision, control and impact force, and the input parameters like geometric restrictions, flow conditions, topological structures of single cells and physical property of materials. The researches put an emphasis on the micro/nano scale flow and transport phenomenon to build an integrated model of micro liquid-liquid two-phase slug flow, diffusion through micro orifice, hydrodynamic trapping of single cell arrays and convection-diffusion based on cellular topological structure. The multiscale simulations of the total process will be performed covering the generation and movement of micro droplets, diffustion through the tiny hole, and hydrodynamic capture of single cells, convection and diffusion of chemical molecules around the cell membrane. After model and simulation, the micro chips will be detailedly designed and fabricated. In order to verify and improve the compatibility of the models, experiments will be performed via micro particle imaging velocity (μ-PIV) to measure the fluid field in micro channels, chambers and nano-scale holes. After that, the PC-12 neural cell lines will be cultivated to carry out biological tests via fluorescence microscopic technique. The models submitted in the proposal can yield an important and new understanding of the operation of these devices while they are also meaningful references for the fundamental research in micro/nano flow and transport.

新一代的面向单细胞的脉冲式神经给药技术，对给药流量、时间精度、给药频率和细胞膜离子通道冲击等要求极其苛刻。本课题基于微纳流体力学和微纳传输理论，以建立输入参数（芯片结构参数、流场控制参数、细胞拓扑结构、材料物性参数等）与输出参数（给药量、最小持续时间、脉冲间隔和冲击压力等）之间的精确模型为目标，以微纳流动与传质现象为研究对象，建立液-液微两相柱塞流、纳米微孔扩散、微阱阵列流场捕获和基于细胞拓扑结构的对流-扩散模型，完成从液滴产生、输送、微孔扩散、单细胞捕获到神经元表面药物分子的扩散等全过程的多尺度模拟，制备的微流控集成芯片通过μ-PIV（微粒子图像测速仪）进行流场测试研究，并采用PC-12嗜铬神经瘤细胞进行生物荧光显微实验，验证和完善模型。本课题的开展，将对单细胞级神经给药芯片的设计、优化和操作具有重要的现实指导意义，同时对微纳流动与微纳传质等基础理论研究具有借鉴意义。

微纳流控芯片技术以其众多的潜在优势和广泛的应用前景，正成为神经科学研究领域中越来越重要的技术手段之一。然而由于微纳流控芯片尺寸跨度大、交叉学科广，芯片内部的微观传递机理有待更加深入研究，芯片的结构设计（输入）与应用性能（输出）之间的内在联系缺乏成熟的理论依据参考。本课题基于微纳流体力学和微纳传输理论，以建立输入参数（芯片结构参数、流场控制参数、材料物性参数等）与输出参数（给药量、最小持续时间、入口速度和冲击压力等）之间的精确模型为目标，以微纳流动与传质过程为研究对象，建立了两相微液滴、微纳米孔扩散和微阱阵列流场捕获模型，完成从液滴产生、输送、微孔扩散、药物预混合到单细胞捕获、细胞给药等全过程的多尺度模拟分析。通过微粒子图像测速仪（μ-PIV）对制备的集成芯片进行流场测试，并搭建细胞实验平台进行生物荧光显微实验，验证和完善模型。通过模拟和实验研究，得到的主要结果如下：在两相微液滴生成过程中，分散相断裂形成液滴的过程主要受到粘性剪切力、流阻等主要动力的影响，所形成的弹状液滴随流量、连续相的黏度、接触角、界面张力的增减而有所变化；在微纳米孔扩散研究中，本课题通过使用“PDMS微芯片/PCTE微孔膜/PDMS微芯片”三层夹心结构并结合多种微阱结构，并运用MATLAB软件求解模型。最终得到了药物溶液经微孔扩散后的浓度分布，从而对微孔的孔径、孔隙率、分布等参数对扩散传质的影响进行分析讨论，同时确定了双缝式微阱结构的细胞捕获优势；在预混合研究中，基于给药分子进入微阱阵列通道前的预混合模型，用流体流型、浓度分布、混合度等一系列特性进行深度表征。计算结果显示当雷诺数低于0.0016，能够获得最佳混合质量，超过98%，通过混沌增强的作用，在雷诺数为0.0035的情况下混合质量可从50%提升至80%。在结合上述研究成果基础上，本课题设计并制作了单细胞给药集成芯片，在生物细胞微芯片测试平台上进行集成芯片的细胞捕获及给药实验，发现实验结果与模拟拟合较好。本课题的研究成果，对单细胞级神经给药芯片的设计、优化和操作具有重要的指导和现实意义，同时对微纳流动与微纳传质等基础理论研究具有借鉴意义。