3D打印复杂空间微流道内细胞惯性操控机理研究

Inertial microfluidics, which can achieve the precise control of particle motion and equilibrium position based on the inertial effects of micro-scale fluid, has become an essential method to manipulate micro/nano bioparticles by the advantage of external-field-free and high-throughput. However, due to the single-layer processing limitation of classical soft lithography, the mechanism exploration and functional application of inertial microfluidics are mainly focused on the planar microchannel with rectangular cross-section. On the basis of our previous studies about hydrodynamic particle manipulation and 3D microstructure printing, we propose to study the inertial manipulating mechanism of biological cells in the 3D-printed spatial microchannel. A spatial spiral microchannel with unconventional cross-section will be designed to introduce a new model of Dean-coupled inertial flow. The algorithms for self-adaptive layered slicing and dynamic path planning will be developed, and the integrated 3D printing process for complex microfluidic devices will be proposed. Then, the experiments on migration behaviors of deformable microspheres, together with the numerical simulations of inertial flows considering the effects of cell size and deformation, will be carried out to probe into the regulation mechanism of cell inertial migration in the spatial spiral microchannel. Finally, high-throughput and high-sensitivity isolation of circulating tumor cells from whole blood will be achieved, according to the size and deformability differences between tumor cells and blood cells.

惯性微流控技术巧妙利用微尺度流体的惯性效应实现粒子运动状态和平衡位置的精确调控，因具有无需借助外场和处理通量高等优势而逐渐成为微纳米生物粒子操控的主流方法。然而，受限于经典软光刻技术的单层加工能力，现阶段惯性微流控的机理探索和功能应用仍主要集中在结构简单的平面微流道。基于课题组前期在粒子流体动力学操控及微结构3D打印成型等方面的研究基础，本项目拟开展3D打印复杂空间微流道内细胞惯性操控机理研究。设计一种具有异型截面形状的空间螺旋微流道，引入全新的Dean耦合惯性流作用模式。开发自适应变层厚切片和打印路径动态规划算法，制定复杂结构微流控器件的3D打印一体化成型工艺。制备可变形微球作为细胞模型进行实验测试，配套开展考虑细胞有限体积和形变效应的惯性流数值模拟，解析异型截面空间螺旋流道内细胞惯性迁移行为的诱导成因及调控机理，并最终依据尺寸和变形差异实现全血中循环肿瘤细胞的高通量、精确分选。

受限于经典软光刻技术的单层加工能力，惯性微流控的机理探索和功能应用仍主要集中在结构简单的平面微流道。本项目围绕3D打印微流道内细胞/粒子惯性操控机理研究，从微流体-粒子流固耦合模型、新型微流道结构设计与3D打印加工以及惯性微流控在生物医学领域的推广应用等方面开展工作，取得的主要研究进展和重要结果如下：①建立起完善的牛顿流体、粘弹性流体演化模型及其内部粒子运动算模型，能够方便快速地实现不同尺寸及形状的粒子在牛顿流体、粘弹性流体中的运动计算。对于牛顿流体，通过模拟实验测试中不易观测的粒子轨迹和旋转细节，阐述了粒子在缩扩流道内的惯性聚焦机理；对于粘弹性流体，则重点探明了表达流体粘弹特性的Weissenberg数、流速以及流道深宽比对粒子聚焦迁移的影响机制。②全面分析了惯性流道的截面形状和拓扑构型创新设计，提出流道结构演化的全景视图，在此基础上提出面向异型截面流道、三维空间流道的3D打印成形工艺。对于异型截面微流道，提出基于激光定制喷嘴、3D打印牺牲阳模、PDMS倒模复制和阳模溶解技术的任意截面流道加工工艺。对于三维空间微流道，提出一种基于FDM打印工艺参数调整的不同结构、尺寸空间微流道加工方法。③探讨了半椭圆形、三角形等异型截面微通道中粒子的惯性聚焦、粘弹性聚焦机理，并研究了流速对粒子聚焦位置和聚焦宽度的影响规律。进一步，综合分析了细胞惯性操控技术在缩扩流道惯性微流控、粘弹性操控微流控、细胞分选微流控以及微流控阻抗细胞仪等领域中的应用。在此基础上，提出面向细胞分选、操控、细胞磁珠标记、电学检测和变形性检测等多种生医应用的新型微流控器件。