微流中细胞操控动力学机制的一体化模拟系统研究

The cell manipulation is the basic and important step for perform a cell experiment based on the microfluidics technology. It is significant to establish an integrative numerical simulation system to instruct the cell manipulation where the interactive mechanical effect of fluid, the cell, the channel structure and the external force are taken into account comprehensively. In this project, a compound numerical frame of lattice Boltzmann method and immersed boundary is adopted to model the interaction between the fluid and the complex moving boundary. A series of research works are planned to be accomplished to build an integrative numerical simulation system for the study of cell manipulation, in which we optimize the model algorithms and methods, propose novel two and three dimensional numerical cell models, and develop the mathematical formulas for the interactive effects between cell and solid wall, as well as cell and external force, and etc. Based on the simulation system, the cell motion, deformation, extrusion and traction can be simulated correctly. As the further study, by designing the micro-channel for the detail cell manipulation, three typical cell manipulation modes in micro fluid, including cell capturing, suspending cell motion control and cell cross-flow filtration, are modeled respectively. The simulation results based on the models are exhibited quantitatively and visually, the cell manipulating principles can be discovered in detail, and the corresponding experiments are also planned to be performed to validate the simulation models. Therefore, the simulation system we have established can provide a systematic and comprehensive solution for the theoretical analysis of cell manipulation on microfluidics device, and also can provide an effectively and advanced research means to explore a new cell manipulation mode, which can make a great promotion for the cell experiment based on the microfluidics technology.

细胞操控是开展微流控细胞实验的重要基础环节，建立综合考虑流体、细胞、流道结构和外力等多变量交互作用的一体化细胞操控模拟系统对指导细胞操控方法研究有重要意义。本项目采用浸入边界法和格子Boltzmann方法复合数值平台实现流体与复杂运动边界的耦合，通过优化建模方法，提出和建立新型弹性细胞力学模型，发展细胞与流道壁面、细胞与外力等的力学作用机制表达方法等研究，建立一种可综合描述细胞运动、变形、挤压、牵引等动力学过程的一体化计算模拟系统。应用所建立系统，根据细胞操控目标设计相应流道结构，对微流中细胞的捕获、悬浮运动控制和错流过滤三种典型的细胞操控模式进行建模，实现定量化和可视化分析，充分揭示细胞受控运动规律，并辅以实验验证。所建立的系统为当前基于微流控技术的细胞操控研究提供了系统和全面的理论分析解决方案，同时也为探索新型的细胞操控方法提供了高效的先导研究手段，进而有力推动微流控细胞实验技术发展。

背景：微流控芯片中细胞捕捉、运动控制、定位、分离等方法和机理研究对于优化及发展新型的微流细胞操控技术十分重要。然而相应细胞操控涉及流体、结构、细胞运动及变形等复杂边界及力学作用，传统的计算机模拟方法难以完成全系统方案模拟。因此，研究并探索全面考虑复杂运动边界及各种力学机制的细胞微流操控模拟方法有十分重要的意义。. 研究内容：采用浸入边界法和格子Boltzmann方法复合数值平台实现流体与复杂运动边界的耦合，通过优化建模方法，提出和建立新型弹性细胞力学模型。通过发展细胞与流道壁面、细胞与外力等的力学作用机制表达方法等研究，建立了一种可综合描述细胞运动、变形、挤压、牵引等动力学过程的一体化计算模拟平台。利用建立系统对微流中细胞的捕获、悬浮运动控制和错流过滤三种典型的细胞操控模式进行建模，实现定量化和可视化分析，充分揭示了微流中细胞受控运动规律。所建立的平台为当前基于微流控技术的细胞操控研究提供了系统和全面的理论分析解决方案，同时也为探索新型的细胞操控方法提供了高效的先导数值实验手段。. 关键成果：基于浸入边界法和格子Boltzmann方法的复合数值模拟框架，（1）提出、设计、建模实施并优化了基于错流机理的血细胞（白细胞和红细胞，两者在体积和硬度上有差异）分离方案。首先重点考虑了圆柱的排列角度对于细胞分离的影响，获得了最佳的细胞分离参数。之后，设计了更为复杂的圆柱阵列列排布，既考虑了排列角度，也包括圆柱尺寸、间距，细胞释放周期等对分离两类细胞的影响，获得了实现最佳分离效果的参数配置。（2）基于夹流原理，研究了夹流区宽度、Load通道的流率比、细胞的硬度等对两种细胞分离程度的影响，展示了在不同参数设置下，有差异的分离结果。发展了一种利用控制出口分支通道流量的方法，同时实现了最多四种尺寸不同大小细胞（颗粒）的并行分离。（3）对于悬浮细胞的捕获，设计了“C”形筛阵列，研究了在“C”形筛阵列结构下的细胞捕获。通过改变细胞尺寸、通道尺寸、筛间距等参数对细胞捕获情况进行了对比研究，获得了理想捕获方案下的参数配置。 . 科学意义：发展并建立了一种细胞与流体、流道、外力间交互作用的完备力学描述体系，为开展微流作用下的细胞（微颗粒）操控研究提供了一种相对完备的数值实验平台。