【摘 要】
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近年来,微流控技术在肿瘤细胞富集方面得到了广泛关注。在已有的研究中,微流控通道截面受限于简单的几何形状,对微流控通道内流场的研究带来很大的局限性。本研究受自然界中河流弯道截面的启发,提出一种3D打印类河弯截面微流控通道,用于基于尺寸的粒子聚焦和富集。本研究设计了参数不同的微流控通道截面,基于速度场和旋度场仿真结果,发现顶点长度为1000μm时,通道截面上产生的涡旋中心最靠近通道外壁,从而为粒子的受
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近年来,微流控技术在肿瘤细胞富集方面得到了广泛关注。在已有的研究中,微流控通道截面受限于简单的几何形状,对微流控通道内流场的研究带来很大的局限性。本研究受自然界中河流弯道截面的启发,提出一种3D打印类河弯截面微流控通道,用于基于尺寸的粒子聚焦和富集。本研究设计了参数不同的微流控通道截面,基于速度场和旋度场仿真结果,发现顶点长度为1000μm时,通道截面上产生的涡旋中心最靠近通道外壁,从而为粒子的受力平衡提供充足的空间;3D打印了不同顶点长度的类河弯截面通道,实现了26μm粒子的惯性聚焦,并验证了仿真结果的正确性;探索了在不同圈数的通道中粒子聚焦的规律;通过与圆形、矩形和梯形截面的通道对比,证明了类河弯截面通道在粒子聚焦方面的优越性;通过对荧光分布曲线进行高斯拟合并取拟合曲线的半峰宽,实现了粒子聚焦效果的量化评估;通过将12μm粒子与26μm粒子混合,实现了大尺寸粒子的富集;使用MDA-MB-231乳腺癌细胞进行稀释500倍兔血中肿瘤细胞的富集,实现了85.4%的回收率和1.86的富集比(理论最大值为2)。在实现粒子惯性聚焦的基础上,本研究向微流控系统引入粘弹流体;利用聚氧化乙烯(polyoxyethylene,PEO)溶液对粒子的弹力,将可聚焦的粒子尺寸由26μm降低至18μm;通过将6μm粒子与18μm粒子混合,实现了大尺寸粒子的富集;进行了不同稀释倍数血液中MDA-MB-231细胞的富集实验,将稀释倍数由500倍降低到50倍,并将MDA-MB-231细胞的回收率和富集比分别提高到了96.25%和1.97;通过将类河弯截面通道宽度由1000μm增加至2000μm,高度由500μm降低至300μm,使18μm粒子的聚焦位置由靠近通道中心处移到靠近通道外壁处;实现了粘弹流体中的18μm和12μm粒子在不同圈数通道中的聚焦,并发现了粒子在800～1200μL/min的流速范围内聚焦位点向通道外壁迁移的现象;开展了通道高度为变量的梯度实验,在高度为352μm的通道中实现了两种尺寸粒子聚焦规律的差异;在600μL/min的流速下,实现了MDA-MB-231肿瘤细胞在通道外壁处的良好的聚焦。本研究在惯性流体和粘弹流体两种体系下,对3D打印类河弯截面微流控通道中的粒子运动规律和这种新型截面的优越性进行了系统性的研究;在打破微流控通道截面限制的同时,开拓了3D打印复杂截面微流控通道的研究方向。在粒子聚焦的基础上,本研究实现了全血中肿瘤细胞的富集,证明了类河弯截面微流控芯片在基于尺寸的细胞分选方面的巨大潜能及其在疾病检测方面的临床应用价值。
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