مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدل سازی دو بعدی جداسازی ذرات زیستی با استفاده از اینرسی در میکرو کانال

نویسندگان
سهیل اربابی 1
مصطفی مافی 2
مجید سلطانی 3
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه بین المللی امام خمینی(ره)، قزوین
2 هیات علمی گروه مهندسی مکانیک/ دانشگاه بین المللی امام خمینی
3 دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده
امروزه شناخت زود هنگام بیماری‌های صعب‌العلاج از قبیل سرطان، نقش اساسی را در جلوگیری از پیشرفت بیماری ایفا می کند. عامل اصلی مرگ و میر ناشی از سرطان، بازگشت دوباره‌ی این بیماری به سبب رها شدن سلول‌های سرگردان توموری در خون بیمار است. از میان روش‌های مختلفی که جهت پایش خون در سال‌های اخیر ابداع شده‌اند، روش‌های مبتنی بر بکارگیری جریان در مقیاس میکرو مورد توجه ویژه‌ای قرار گرفته است. رشد و توسعه‌ی این روش‌‌ها‌ منجر به ظهور آزمایشگاه‌ها در ابعاد میکرو بر روی تراشه گردیده است که قیمت پایین و سادگی، مزیت اصلی آن است. از آنجایی که اندازه‌ی ذرات زیستی در جریان خون متفاوت است، مسیر حرکت این ذرات در میکروکانال به سبب نیروهای متفاوت وارد بر آن‌ها نیز متفاوت خواهد شد و در نتیجه می‌توان با تحلیل مسیر آن‌ها، به طراحی ریزتراشه‌های زیستی پرداخت. در تحقیق حاضر، یک جریان دو فاز حاوی ذراتی کروی با ابعاد سلول‌های خونی مدنظر قرار گرفته و نیروهای موثر بر ذرات این جریان اعم از نیروهای لیفت و درگ با استفاده از نرم‌افزار کامسول مطالعه شده‌اند. برای این منظور کانالی واگرا در ابعاد میکرو، طراحی شده و اثر نسبت عرض خروجی به عرض ورودی کانال به عنوان پارامتر هندسی موثر در جداسازی ذرات زیستی، بررسی شده است. مطالعه تاثیر ابعاد ذرات و پارامترهای هندسی کانال بر جداسازی ذرات زیستی، اهداف اصلی تحقیق حاضر است. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش نسبت عرض خروجی به ورودی، تجمیع ذرات بزرگتر در خروجی کانال بیشتر خواهد شد.
کلیدواژه‌ها
میکروسیالات
جداسازی ذرات زیستی
آزمایشگاه بر روی تراشه
اینرسی

عنوان مقاله English

Two-dimensional modeling of bio-particles separation by Inertia in micro-channel

نویسندگان English

Sohil Arbabi 1
mostafa mafi 2
Madjid Soltani 3
1 Department of Mechanical Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
3 Faculty of Mechanical Engineersing, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Early diagnosis of hypertensive diseases such as cancer plays an essential role in preventing disease progression. The main cause of death from cancer is the reappearance of the disease due to the release of tumor cells in the blood of the patient. Among the various methods that have been devised for monitoring blood in recent years, the techniques based on micro-scale flow have specially been considered. The development of these methods has led to the emergence of microfluidics laboratories on the chips, which their main advantages are low prices and simplicity. Since the particles’ sizes are different in the flow of blood, the direction of these particles in the micro-channels will vary due to the different forces, and therefore they can be analyzed to the design of bio-microchips. In the present study, a two-phase flow containing spherical particles with the dimensions of blood cells was considered, and the forces affecting the particles of this current, including the lift forces and drag forces, were studied using COMSOL software. For this purpose, a micro divergent channel was designed and the effect of ratio of the outlet width to the inlet width (Aspect Ratio) as an effective geometric parameter in the biological particle separation was analyzed. The study of the effect of particle dimensions and various geometric parameters of the channel on bio-particles separation are the main goals of this research. The results show that by increasing the Aspect ratio, focusing of the larger particles would increase at the outlet of micro-channel.

کلیدواژه‌ها English

Micro fluidics
Bio particles Separation
Lab on a chip
Inertia
[1] M. Cristofanilli, Circulating tumor cells, disease progression, and survival in metastatic breast cancer, Seminars in Oncology, Vol. 33, No. 9, pp. 9–14, 2006.
[2] S. Paget, The distribution of secondary growths in cancer of the breast, The Lancet, Vol. 133, No. 3421, pp. 571–573, 1889.
[3] C. Alix-Panabières, K. Pantel, Circulating tumor cells: Liquid biopsy of cancer, Clinical Chemistry, Vol. 59, No. 1, pp. 110–118, 2013.
[4] K. Pantel, C. Alix-Panabières, Circulating tumour cells in cancer patients: Challenges and perspectives, Trends in Molecular Medicine, Vol. 16, No. 9, pp. 398–406, 2010.
[5] M. P. Lee, M. J. Padgett, Optical tweezers: A light touch, Journal of Microscopy., Vol. 248, No. 3, pp. 219–222, 2012.
[6] K. Dholakia, T. Čižmár, Shaping the future of manipulation, Nature Photonics, Vol. 5, No. 6, pp. 335–342, 2011.
[7] M. Hejazian, W. Li, N. T. Nguyen, Lab on a chip for continuous-flow magnetic cell separation, Lab on a Chip, Vol. 15, No. 4, pp. 959–970, 2015.
[8] J. S. Jeong, J. W. Lee, C. Y. Lee, S. Y. Teh, A. Lee, K. K. Shung, Particle manipulation in a microfluidic channel using acoustic trap, Biomedical Microdevices, Vol. 13, No. 4, pp. 779–788, 2011.
[9] P. K. Wong, C. Y. Chen, T. H. Wang, C. M. Ho, Electrokinetic bioprocessor for concentrating cells and molecules, Analytical Chemistry, Vol. 76, No. 23, pp. 6908–6914, 2005.
[10] F. Gielen, A. J. deMello, J. B. Edel, Dielectric cell response in highly conductive buffers, Analytical Chemistry, Vol. 84, No. 4, pp. 1849–53, 2012.
[11] N. Pamme, Continuous flow separations in microfluidic devices, Lab on a Chip, Vol. 7, No. 12, pp. 1644, 2007.
[12] T. E. Kagalwala, J. Zhou, I. Papautsky, Continuous size-based separation of Microparticles in straight channels, Proceedings of 14th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, Groningen, Netherlands, 3-7 October, 2010.
[13] J. Zhou, P. V. Giridhar, S. Kasper, I. Papautsky, Modulation of aspect ratio for complete separation in an inertial microfluidic channel, Lab on a Chip, Vol. 13, No. 10, pp. 1919-1929, 2013.
[14] M. Yamada, M. Nakashima, M. Seki, Pinched flow fractionation: Continuous size separation of particles utilizing a laminar flow profile in a pinched microchannel, Analytical Chemistry, Vol. 76, No. 18, pp. 5465–5471, 2004.
[15] J. M. Martel, M. Toner, Inertial focusing in microfluidics, Annual Review of Biomedical Engineering, Vol. 16, No. 1, pp. 371–396,. 2014.
[16] H. Amini, W. Lee, D. Di Carlo, Inertial microfluidic physics, Lab on a Chip, Vol. 14, No. 15, pp. 2739-2761, 2014.
[17] G. Segré, A. Silberberg, Behaviour of macroscopic rigid spheres in Poiseuille flow Part 1. Determination of local concentration by statistical analysis of particle passages through crossed light beams, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 14, No. 1, pp. 115-135, 1962.
[18] J. Zhou, I. Papautsky, Fundamentals of inertial focusing in microchannels, Lab on a Chip, Vol. 13, No. 6, pp. 1121-1132, 2013.
[19] J. Zhang, S. Yan, D. Yuan, G. Alici, N. T. Nguyen, M. Ebrahimi Warkiani, W. Li, Fundamentals and applications of inertial microfluidics: A review, Lab on a Chip, Vol. 16, No. 1, pp. 10–34, 2016.
[20] B. P. Ho, L. G. Leal, Inertial migration of rigid spheres in two-dimensional unidirectional flows, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 65, No. 2, pp. 365- 400, 1974.
[21] E. S. Asmolov, The inertial lift on a spherical particle in a plane Poiseuille flow at large channel Reynolds number, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 381, No. 4, pp. 63–87, 1999.
[22] J. A. Schonberg, E. J. Hinch, Inertial migration of a sphere in Poiseuille flow, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 203, No. 6, pp. 517–524, 1989.
[23] C. Liu, C. Xue, J. Sun, G. Hu, A generalized formula for inertial lift on a sphere in microchannels, Lab on a Chip, Vol. 16, No. 5, pp. 884–892, 2016.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 1
فروردین 1397
صفحه 239-246