连续流细胞电融合芯片的数学仿真

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细胞融合不仅在杂交育种、基因调控、遗传生物学和食品安全等方面应用广泛,而且在很多新兴研究领域,也已成为关键技术。因此如何促使细胞进行融合以及怎样提高细胞的融合率,同时保证融合后的细胞的存活率成为国内外研究中争相探讨的问题。如今细胞融合研究领域中最热门的工作是将细胞融合技术与新兴的微流控技术进行交汇而新形成的细胞融合芯片技术。尽管微系统技术的应用使细胞电融合在可控性、可观察性以及融合率方面有了很大提高,但是还没有解决异源细胞的准确配对、大量融合细胞的快速获得以及融合细胞的有效分离等几个难题。因此,我们提出了一种连续流的细胞电融合方法的研究,建立了基于微流控和介电电泳力细胞控制技术的异源细胞精确配对方案,并与一维微电极阵列低压直流电脉冲穿孔和芯片细胞分离技术相结合,实现一种新颖的高效连续流细胞电融合方法。作为该项目的一部分,本文的主要目的是利用COMSOL Multiphysics软件对芯片内各个部分的流场和电场进行仿真分析,探讨各个参数对芯片内部流场、电场的影响,从而为获得最佳的芯片结构设计以及后期的实验研究提供一定的理论指导。本文在前期研究工作和Wang等人方法的基础上,提出一种新的连续流细胞电融合芯片模型,让细胞对顺次通过几对微电极构成的阵列实现连续融合。针对流体和细胞控制、电穿孔及融合的要求,对微流控芯片通道和电极的设计进行了仿真分析。仿真结果将为连续流细胞电融合芯片的设计加工和实验研究提供相应的理论支持。具体而言,本文主要包括以下研究内容:(1)简要介绍连续流细胞电融合芯片的总体设计及基本的仿真思路;(2)建立连续流细胞电融合芯片进样配对段的仿真模型,探讨不同参数对其芯片内部流场的影响,从而为芯片设计和后期实验参数的选择提供理论指导;(3)建立连续流细胞电融合芯片电融合段的仿真模型,研究不同微电极阵列设计下芯片内部的电场分布,从而获得良好的芯片电极设计相关参数。数学仿真结果显示:(1)在最初的细胞进样处理段,鞘流沟道与样品液沟道之间的夹角和L边鞘流/L样品流的比值对聚焦流宽度无明显影响,只会影响聚焦流的平稳度;而V边鞘流/V样品流比值越大,聚焦流宽度越窄,且当流速比达到4:1后,聚焦流宽度小于10m,且趋于稳定。(2)在随后的细胞交汇配对段的仿真结果则表明入口通道长度与汇合后的通道长度的比值不影响芯片内部流体流速;而两条入口通道之间的交汇角越大,则流体交汇越迅速,但是流速并不如何变化。(3)细胞融合段的一系列的电场仿真分析则更加说明了连续流细胞融合芯片的特殊性,相应地,在设计芯片时需要联系流速来进行芯片融合区域的电极尺寸和间距的选择。以上结果对芯片流道的设计和实验研究具有十分重要的指导作用。
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