超声辐射法测量细胞包壳模型局部弹性模量的研究

The measurement of the mechanical properties of biological cells is one of the foundations of the cell researches in micro scale and it also serves as the fundamental characters of the development of the micro-total analysis system. In this project, we investigate the forces acting on the cells and the consequent motion characters of such cells suspended within the microfluidic system where the nonlinear ultrasonic radiation field stands; furthermore, we develop the measurement method of the cell's mechanical modulus using the ultrasound radiation field within the microfluidic system. The detailed content is arranged as follows: To develop the theoretical model which can describe the acoustic radiation force acting on the cell that can be simplified as a shelled spherical particle; To compare the shell spherical model and the uniform compressible spherical model, and establish the relationship between the cell's global elastic modulus and the cell's local elastic modulus of each structural layer; To develop the ultrasonic measurement method that can measure the cell's elastic modulus(global and local); To design and fabricate the corresponding microfluidic system and realize the measurement based on our proposed method. The purpose of this project is to develop the measurement method which is based on the ultrasonic radiation filed within the microfluidic system and could be used to measure the biological cell's local mechanical properties.The findings of this research could develop the acoustic radiation method from global to local mechanic properties; the measured data based on this method can enrich the mechanics database of the biological cells, and helps to uncover the relationship between the cell's mechanical properties and the pathogenesis. It also provides the fundamental bases for developing the microfluidic system where the cells separation, cell sorting and cell analysis are realized using the ultrasonic radiation field.

生物细胞力学性质的测量是微尺度下细胞研究及微流控芯片发展的基础之一。本项目以微流控芯片技术为研究平台，通过对非线性超声辐射场内细胞的包壳模型的受力及其运动规律的基础科学研究，发展用于测量细胞局部力学性质的声辐射测量理论。具体内容包括：建立细胞的包壳结构所受声辐射力的理论模型；分析局部各结构层弹性模量与细胞整体弹性模量间的关系，发展超声辐射测量细胞局部弹性模量的测量原理；构建相应的超声微流控芯片系统，实现对典型生物细胞弹性模量的实验研究。本项目旨在发展微尺度下的声辐射测量理论，实现对细胞局部力学性质的研究。其研究结果可将现有的对细胞整体的超声辐射研究手段拓展到对细胞局部力学性质的研究上；其所测量的细胞局部力学特性，可充实细胞力学数据库，有助于深入分析各类致病细胞的力学特性与其致病机理间的关系；同时拓展微流控芯片中超声分离、提纯、与检定技术提供理论与技术基础。

随着微机电系统与微流控技术的不断发展，在微流控芯片中施加可控外力场，用于研究微粒子及细胞所表现的物理性质,成为近期的一个研究热点。超声辐射声场对其中的悬浮粒子及细胞施加非接触式声辐射力，从而控制悬浮状态的细胞的运动方式与运动轨迹。超声辐射方法已被成功应用于细胞分离与富集、细胞运输与转移等相关细胞操作领域。超声辐射声场提供的非接触式的作用力与受力细胞的自身力学特性直接相关。此关联关系为利用超声辐射声场研究细胞的力学特性提供了可能。.本研究主要基于微流芯片中的超声辐射声场理论，对超声声场中粒子/细胞的运动特性及其受力模型开展研究，推导并建立细胞的单壳模型用以表征细胞在超声驻波场中的受力及运动状态。通过揭示单壳受力模型与细胞力学特性间的关系，研究了利用超声驻波声场测量细胞壳弹性模量的方法，结合理论分析与典型细胞的实验研究，对所提出的测量方法进行了原型验证；.研究提出一种传递矩阵模型，用于对层叠式超声微流芯片进行分析与优化设计。该模型简洁直观有效。.研究尝试了硅基流道掩模刻蚀制备方法与金属基流道的精密机械加工两种超声流道制备方法。研究结果表明，硅基流道掩模刻蚀技术可提供精密的蚀刻流道与复杂的工艺形状，适用于精度要求高的研究与测量场合。精密机械加工的金属基流道精度相对欠缺，但利于大尺寸流道的制备，适用于精度要求不高的工业应用场合。.基于单壳模型的极限退化模型，研究了水中悬浮油滴在超声声场作用下的运动特性。分析设计一种在线式超声辐射声场进行油水分离的方法。该方法针对直径在几微米至几十微米的油滴悬浮液具有良好的油水分离效果。在工业污水监测装置、含油废水的油水分离、原油二次精炼等领域具有应用与推广价值。.综上，本项目在基本完成初期设定的研究内容的基础上，在微流超声芯片的设计优化方法、超声分离的工业应用等方面进行了有益探索，为超声辐射方法的工业推广提供借鉴。