异形截面非对称二次流诱导生物细胞精确惯性分离机理研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    51905150
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    25.0万
  • 负责人：
    张鑫杰
  • 依托单位：
    河海大学
  • 学科分类：
    E0512.微纳机械系统
  • 结题年份：
    2022
  • 批准年份：
    2019
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Inertial microfluidics is an effective method for biological cell manipulation. However, the inertial microfluidic technology can’t be used to precisely separate similar-sized cells of high concentrations. To solve the above problem, novel channel models of abnormal cross-sections are proposed in this project, and asymmetry secondary flow of the channel is used to control the inertial separation of cells. Through numerical simulation, theoretical analysis and experimental testing, the influences of cross-section shape, channel spatial structure, Reynolds number, and particle diameter on the focusing characteristics are investigated, and the mechanism of particle inertial focusing influenced by inertial lift force is proposed. Then, the effects of channel cross-sections on the shape, orientation, magnitude, and position of the asymmetry secondary flow are investigated, and the influences of coupling effect between the flow drag force and the inertial lift force on particle inertial migration are studied, and the mechanism of inertial migration influenced by the asymmetry secondary flow is proposed. After that, key factors influencing cell separation efficiency and purity are studied, and the mechanism of cell inertial separation induced by the asymmetry secondary flow is obtained. In the end, separation applications of biological cells with similar sizes in blood are performed to validate the theoretical mechanism. Research outcomes of this project will provide theoretical guidance and technical reference for the design and optimization of inertial microfluidic device, improves the inertial manipulation performance and expands cell application area of the inertial microfluidic technology.
惯性微流控技术是生物细胞高效操控的有效手段，然而该技术的瓶颈在于无法对高浓度且尺寸相近的生物细胞进行精确分离。为解决上述技术难题，本项目提出异形截面螺旋流道中非对称二次流诱导生物细胞精确惯性分离的新型调控方法。通过数值模拟、理论分析与实验测试相结合的方法，研究流道截面形状、空间结构、雷诺数、粒子直径等参数对微球粒子运动聚焦行为的影响规律，提出惯性升力对粒子运动聚焦的影响机理；研究异形截面形状对非对称二次流旋涡形状、方向、强度和位置的影响，探索二次流拖拽力-惯性升力耦合作用对粒子惯性迁移行为的影响规律，提出非对称二次流对粒子惯性迁移的影响机理；解析影响细胞分离精度与纯度的关键因素，揭示非对称二次流诱导细胞惯性分离的工作机理，并通过分离血液中尺寸相近的生物细胞进行机理验证。本项目成果将为惯性微流控芯片设计优化、惯性操控性能提升、细胞应用拓展提供理论依据与技术指导。

结项摘要

惯性微流控技术在微粒（如生物细胞）操控方面具有高通量、结构简单、操作便捷等优势，但该技术的瓶颈在于难以对高浓度微粒进行精确操控。为解决上述技术难题，本项目提出了异形截面（L形和凹形）螺旋流道中微粒的惯性操控方法。首先，项目研究了单入口L形截面流道中微粒的惯性聚焦效应，分析了流道中非对称二次流分布、截面尺寸、流量对微粒（直径3 μm ~ 15 μm）惯性聚焦的影响规律。研究结果表明：L形截面中存在两对强度不同的非对称二次流。在内低外高的流道中，微粒在流道外圈实现了单一聚焦；在内高外低的流道中，微粒在内外流道中各具有一个聚焦平衡位置，且绝大多数微粒聚焦于流道内壁面。通过改变内外流道的宽度，微粒在流道内圈可以实现单一强聚焦。基于上述结论，利用L形流道实现了高浓度血液中（HCT值 ≤ 9%）血浆与血细胞的高效分离（分离效率＞92%）。接着，项目研究了凹形截面螺旋流道中微粒的惯性聚焦与分离效应，分析了薄膜厚度、截面尺寸、气压、流量对微粒聚焦与分离的影响。研究结果表明：凹形流道中存在中间弱、两端强的非对称二次流。改变气压，调节薄膜内凹幅度可以使大、小尺寸的微粒分别向流道内壁面和外壁面聚焦迁移，进一步提升微粒的分离间距与效率。基于上述发现，利用凹形流道实现了高浓度血液（稀释1倍）中大尺寸微粒（直径15 μm）与血细胞的高效分离。最后，项目还研究了一系列不同结构的被动式微流量调节阀、微泵及其微流体稳流调控机制，并将微阀与惯性微流控芯片进行集成，利用微阀控制微流体实现了不同尺寸微粒的聚焦与分离。本项目理论成果将为微流控芯片流道结构设计、微粒惯性操控性能提升、生物细胞操控应用提供理论依据与技术支撑，对推进基于微流控芯片技术的体外诊断技术具有一定的科学意义。

项目成果

期刊论文数量（7）
专著数量（0）
科研奖励数量（1）
会议论文数量（1）
专利数量（4）
A portable plug-and-play syringe pump using passive valves for microfluidic applications
一种使用被动阀的便携式即插即用注射泵，用于微流体应用
  • DOI：
    10.1016/j.snb.2019.127331
  • 发表时间：
    2020-02-01
  • 期刊：
    SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL
  • 影响因子：
    8.4
  • 作者：
    Zhang, Xinjie;Xia, Kang;Ji, Aimin
  • 通讯作者：
    Ji, Aimin
A herringbone soft pneu-net actuator for enhanced conformal gripping
用于增强保形抓取的人字形软气动执行器
  • DOI：
    10.1017/s0263574721001144
  • 发表时间：
    2021-09
  • 期刊：
    Robotica
  • 影响因子：
    2.7
  • 作者：
    Zhang Xinjie;Oseyemi Ayobami Elisha
  • 通讯作者：
    Oseyemi Ayobami Elisha
L形截面螺旋微流道中微粒的惯性聚焦特性
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2022
  • 期刊：
    微纳电子技术
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    刘尧;张鑫杰;朱行杰;陈亚伟;韩帅
  • 通讯作者：
    韩帅
非对称截面螺旋流道中微粒的惯性聚焦效应
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2022
  • 期刊：
    光学 精密工程
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    韩帅;张鑫杰;顾乔;刘尧;王昕怡
  • 通讯作者：
    王昕怡
Microfluidic Passive Valve with Ultra-Low Threshold Pressure for High-Throughput Liquid Delivery
具有超低阈值压力的微流控被动阀，可实现高通量液体输送
  • DOI：
    10.3390/mi10120798
  • 发表时间：
    2019-11
  • 期刊：
    MICROMACHINES
  • 影响因子：
    3.4
  • 作者：
    Zhang Xinjie;Oseyemi Ayobami Elisha
  • 通讯作者：
    Oseyemi Ayobami Elisha

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其他文献

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  • 作者：
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  • 通讯作者：
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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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