شبيه‌سازي عددي جداسازي سلول‌هاي لنفوسيت از ديگر سلول‌هاي سفيد خون با استفاده از دست‌ورزي صوتي و نيروي هيدروديناميكي در يك تراشه‌ي ميكروسيالي

Numerical Simulation of Lymphocyte Separation from Other Leukocyte Subpopulations Using Acoustophoresis and Hydrodynamic Force in a Microfluidic Chip

يكي از انواع روش‌هاي جداسازي ذرات در ابعاد ميكرون، استفاده از امواج صوتي در تراشه‌هاي ميكروسيالي مي‌باشد. اگرچه شبيه‌سازي عددي توانايي توضيح تمام پديده‌هاي پيچيده، حاكم بر دست‌ورزي صوتي ذرات در ميكروسيالي را نخواهد داشت، ولي با توجه به هزينه‌هاي بالاي ساخت، مي‌تواند در بهبود عملكرد سامانه‌هاي ميكروسيالي مورد استفاده قرار گيرد. در اين پژوهش با بازطراحي ساختار كانال، شبيه‌سازي دو بعدي جداسازي ذرات در يك تراشه، شامل چهار ناحيه‌ي متمركزسازي صوتي، انتقال، جداسازي صوتي و جداسازي هيدروديناميكي بررسي شده است. مسير انتهاي كانال به گونه‌اي در نظر گرفته شده كه اثر نيروي هيدروديناميكي به عنوان يك واحد مستقل، نقش موثري در بهبود خلوص و بازده‌ي جداسازي ذرات ايفا كند. همچنين نشان داده شده است كه فرآيند پيش متمركزسازي ذرات، با به خط كردن ذرات پيش از ورود به ناحيه‌ي جداسازي صوتي، مي‌تواند نقش مهمي در بهبود خلوص جداسازي ذرات داشته باشد. با توجه به اهميت بالاي لنفوسيت در سيستم دفاعي بدن و استفاده به عنوان سلول تي‌كايمريك گيرنده ژن، هدف جداسازي اين سلول از ساير گلبول‌هاي سفيد مي‌باشد. جداسازي ذرات با ابعاد نزديك به هم، از جمله چالش‌ها در حوزه‌ي ريزسيالي محسوب مي‌شود كه در طرح پيشنهادي، زيرگروه‌هاي گلبول سفيد با اختلاف قطر جداسازي شده‌اند. توزيع فشار آكوستيك در كانال به كمك حل معادله موج آكوستيك(معادله هلم-هولتز)، در هر دو ناحيه در حدود بدست آمده است كه مي‌توان از حفظ خواص زيستي ذرات، تحت تنش‌هاي فشاري اطمينان داشت. در ادامه، نيروهاي تابشي صوتي با استفاده از معادلات سِتنس-بروس استخراج شده‌اند. پارامترهاي سرعت متوسط جريان غلافي، بزرگي سرعت نوسان ديواره و عرض خروجي لنفوسيت، در سرعت متوسط سيال حاوي ذرات معادل ، بر اساس بدست آوردن بالاترين بازده و خلوص جداسازي، مورد مطالعه‌ي پارامتري قرار گرفت.

One of the methods of separating particles in micron dimensions is the use of acoustic waves in microfluidic chips. Although numerical simulation will not be able to explain all the complex phenomena governing the acoustic manipulation of particles in microfluidic, due to the high cost of fabrication, it can be used to improve the performance of microfluidic systems. In this research, by redesigning the channel structure, two-dimensional simulation of particle separation in a chip, including four areas of acoustic concentration, transmission, acoustic separation, and hydrodynamic separation has been investigated. The end of the channel is designed in such a way that the effect of hydrodynamic force as an independent unit, plays an effective role in improving the purity and particle separation efficiency. It has also been shown that the particle pre-concentration process can play an important role in improving the purity of particle separation by lining the particles before entering the acoustic separation zone. Due to the high importance of lymphocytes in the body s defense system and their use as a receptor T-chimeric cell, the goal is to isolate this cell from other white blood cells. The separation of particles with close dimensions is one of the challenges in the field of microfluidics, which in the proposed design, different types of white blood cells are separated by a difference of 2 um in diameter. The acoustic pressure distribution in the channel, which is obtained by solving the acoustic wave equation (Helm-Holtz equation), is about 1 MPa in both regions that can be ensured to maintain the biological properties of the particles under compressive stresses. Next, acoustic radiation forces are extracted using the Settnes-Bruuc equations. The parameters of mean sheath flow velocity, the magnitude of wall oscillation velocity, and lymphocyte output width were studied parametrically at the average velocity of 5 mm/s for the fluid-containing particles, based on obtaining the highest efficiency and separation purity.