بخشی از مقاله
چکیده
با استفاده از هر دو نیروی دی الکتروفورتیک 1 - DEP - و نیروی هیدرودینامیکی وارده از طرف سیال بر ذرات میتوان به جداسازی پیوسته ای در زمینه سلول های زیستی ، متناسب با اندازه آن ها دست یافت. در مقاله حاضر روش بهبود یافته ای برای طراحی و شبیه سازی جداسازی پیوسته گلبول های سفید از پلاکت های خون با استفاده از روش دی الکتروفورسیس ارائه شده است. برای امکان سنجی طرح ارائه شده، سرعت سیال و میدان های الکتریکی به کار گرفته شده در میکروکانال محاسبه شد و پس از آن با بهره گیری از این اطلاعات مسیر ذرات درون کانال، با استفاده از حل عددی شبیه سازی شد. ولتاژ بیشینه به بیشینه مورد استفاده در این طرح معادل با 110 ولت است که با توجه به ابعاد میکروکانال، به سلول های مورد نظر لطمه ای وارد نمیکند. طرح پیش رو، جداسازی موثری را در پی دارد که علاوه بر راندمان بالای جداسازی دارای تلفات ناچیز سلولی است و لذا میتوان از آن به عنوان روشی موثر در کاربرد های پزشکی و فرایندهای تشخیصی بهره گرفت.
-1 مقدمه
توانایی جداسازی سلول های زیستی، بر اساس انواع و اندازه های مختلف آن ها امری مهم و ضروری در فرآیند های تشخیصی، درمانی و پزشکی است. محققان در دهه های اخیر با استفاده از ریز تراشه های آزمایشگاهی2 بر مبنای میکرو سیال ها، کارهای مختلفی نظیر جداسازی و مرتب سازی میکرو ذرات، کشت میکرو ذرات، و آنالیز میکروذرات را انجام داده اند.[1] یکی از کاربرد های مهم تراشه های آزمایشگاهی جداسازی و کشت سلول های خونی برای استفاده در کاربرد های بعدی مانند فرایندهای پزشکی، کاربرد های تشخیصی، صنایع شیمیایی و کاربرد های دیگر است.[2]
روش های مختلفی برای جداسازی و مرتب سازی میکروذرات ارائه شده است.
به طور کلی تکنیک ها، و روش جداسازی و مرتب سازی میکرو ذرات بر اساس عملکرد آنها به دو دسته روش های فعال و روش های غیر فعال تقسیم میشوند. کیفیت انجام یک روش معمولا با پارامتر هایی نظیر توان، راندمان، دقت عملکرد، میزان مصرف انرژی، کنترل پذیری روش و پارامتر های دیگر سنجیده میشود.[3] از روش های فعال به کارگرفته شده در زمینه جداسازی میکروذرات میتوان به روش های نوری3، آکوستیکی 4، دی الکتروفرسیس، مغناطیسی5، الکتروفورسیس6 و ... اشاره کرد. از روش های غیر فعال به کارگرفته شده نیز میتوان به روش هایی چون: شکست جریان تحت فشار7، فیلتراسیون هیدرودینامیکی8، اینرسی9، جا به جایی جانبی معین10 و ... اشاره کرد.[1]
پدیده دی الکتروفرسیس در اوایل قرن بیستم مورد بحث بوده است اما در سال 1951 برای اولین بار مورد مطالعات جدی توسط پاول قرار گرفته است و توسط او نام گذاری شده است.[5 ,4] با توسعه فناوری های جدید، تکنولوژی دی الکتروفورسیس به سرعت در حال توسعه است و در کاربردهای مختلفی نظیر جداسازی میکروذرات، نانو ذرات و سلول ها کاربرد پیداکرده است.[6] در اینجا به مرور روش های جداسازی ذرات که در مقالات قبلی مورد بحث بوده است، پرداخته میشود: در سال 2004، دیوید و همکارانش سلول های مورد نظر خود را با نانوذرات مغناطیسی نشانه گذاری کردند و پس از آن ذرات را از روی نوارهای مغناطیسی عبور دادند و به این ترتیب توانستند به جداسازی موثر لیکوسایت ها 11 از سلول های خونی دیگر دست یابند.
[7] در سال 2005، شایوان و همکارانش با بر چسب گذاری سلول های مورد نظر خود قطبیت این ذرات را عوض کردند و پس از آن مخلوط سلول ها را از میدان الکتریکی غیر یکنواخت توسط محلول بافر گذراندند و به این ترتیب سلول هایی که با روش دی الکتروفورسیسی بر چسب خورده بودند، از سلول های غیر هدف، به صورت موثر جداسازی شدند.[8] در سال 2006، دیویس و همکارانش با کارگیری موانع استوانه ای درون میکروکانال موفق به جداسازی سلول های خونی به پلاکت ها، گلبول های قرمز و گلبول های سفید خون بر مبنای اندازه هیدرودینامیکی و مستقل از جرم آن ها با استفاده از روش شکست جانبی معین شدند.
[9] در سال 2015، پودنفنت و همکارانش با استفاده از روش شکست جریان تحت فشار توانستند به جداسازی موثر سلول های سفید خون از سلول های سرطانی بر مبنای اندازه ذرات با راندمان بالای نود درصد دست یابند. آن ها توانستند با بهره گیری از ویژگی شکل پذیری سلول ها، راندمان روش خود را بالا ببرند.[10] در سال 2016، تاو و همکارانش با به کارگیری یک جفت الکترود طب سوزن ی در پلی دی متیل سیلوکزان به عنوان مانع، میدان الکتریکی غیر یکنواختی تولید کردند که با استفاده از آن توانستند ذرات را به صورت موثر و پیوسته با استفاده از روش دی الکتروفورسیس جدا کنند.[11]
در اکثرکارهای قبلی برای جداسازی ذرات با اندازه های متفاوت، لازم است که از جداسازی چند مرحله ای استفاده شود، در کار پیش رو جداسازی پیوسته سلول های خونی با بهره گیری از روش دی الکتروفورسیس در یک مرحله انجام شده است که در کارهای قبلی مشاهده نشده است. اثر گرمایش ژول و تنش های برشی وارد بر غشا سلول از مواردی هستند که در اعمال ولتاژ های بالا باید مد نظر قرار گیرند، در کار حاضر ولتاژ کمتر از 115 ولت - ولتاژ بیشینه به بیشینه - به کار گرفته شده است، با توجه به ولتاژ کم اعمال شده و ابعاد میکرو کانال موارد ذکر شده به حداقل مقدار خود رسیده اند. در طرح پیش رو با بهره گیری از هر دو نیروی پسا و دی الکتروفورتیک منفی به سلول های خونی، جداسازی میکرو ذرات در شاخه های پایین دست صورت میپذیرد.
مزایای طرح پیش رو نسبت به کارهای قبلی به این صورت خلاصه میگردد:
- 1 - جداسازی میکرو ذرات در این روش با ابعاد کوچک صورت میپذیرد به طوری که دقت جداسازی میکرو ذرات پزشکی نظیر سلول های خونی را دارد و قابل استفاده در کاربردهای پزشکی، فرایندهای تشخیصی، درمانی و آزمایشگاهی می باشد.
- 2 - ولتاژ اعمال شده با توجه به ابعاد میکروکانال به گونه ای در نظر گرفته شده است که خسارت سلولی وارده بر این میکرو ذرات جزئی باشد به طوریکه هر دو اثر گرمایش ژول و تنش برشی غشائی ناچیز باشند.
- 3 - این چیپ برای تولید میدان الکتریکی غیر یکنواخت و اعمال نیروی دی الکتروفورسیس از ساختاری ساده بهره میبرد.
-2 مواد و روش ها
-1-2 اصول و پیاده سازی دی الکتروفورسیس
روش دی الکتروفورسیس - DEP - به عنوان یک روش جداسازی کارآمد برای مرتب سازی سلول های مختلف در علم میکروسیالی12 شناخته میشود. مکانیزم روش دی الکتروفورسیس بر مبنای میزان قطبی شدن ذرات خنثی نسبت به یکدیگر استوار شده است، که در اثر میدان الکتریکی غیر یکنواخت محیط خارجی ایجاد شده است. به عبارت دیگر وقتی ذرات با خواص دی الکتریک مختلف تحت میدان الکتریکی غیر یکنواخت محیط قرار میگیرند، میزان قطبیت به وجود آمده در آن ها متفاوت خواهد بود و همین امر باعث ایجاد نیروی دی الکتروفورتیک روی آن ها میگردد که به عنوان اساس جداسازی در این روش قرار میگیرد .[12]
اگر قابلیت قطبی شدن ذره بیشتر از محیط اطرافش باشد، نیروی دی الکتروفورتیک مثبت 13 - pDEP - به آن وارد میشود که در این صورت جذب شدت میدان الکتریکی بیشتر میشود، عکس این مطلب نیز صادق است بدین معنا که اگر قابلیت قطبی شدن ذره کمتر از محیط اطرافش باشد، نیروی دی الکتروفورتیک منفی 14 - nDEP - به ذره وارد میشود و ذره از منطقه با شدت میدان الکتریکی بیشتر دفع میشود.
[13] پارامتر هایی نظیر ضریب گذردهی، ضریب رسانش الکتریکی و فرکانس کاری الکترود ها، عملکرد میکروذرات در مواجهه با میدان الکتریکی را متفاوت میکند به طوریکه در اندازه و جهت نیروی دی الکتروفورتیک تاثیر گذار خواهند بود. اثرات این پارامترها به صورت ترکیبی، در عاملی به نام عامل کلازیوس-ماستی - - در نظر گرفته میشوند - معادله های - 1 - و .[14] - - 2 - این عامل میتواند جهت نیروی دی الکتروفورتیک را تعیین کند و قسمت حقیقی آن محدوده ای بین −0/5 تا 1 را دارد به طوریکه اگر این عامل از صفر بزرگتر باشد، به ذرات نیروی دی الکتروفورتیک مثبت وارد میشود و بلعکس. اگر خواص میکروذرات و محیط پیرامون آن ها ثابت نگه داشته شود، در آن صورت میتوان با تغییر فرکانس به کار گرفته شده به حداکثر یا حداقل تاثیر گذاری شدت میدان الکتریکی روی میکرو ذرات دست یافت، به طوریکه جداسازی موثر صورت پذیرد.
