بخشی از مقاله
شبیه سازی جداسازی ذرات در افزارههای میکروفلوئیدیکی
خلاصه
در این مقاله روش جدیدی برای شبیه سازی دوبعدی جداسازی ذرات کروی غیر قابل انعطاف بر اساس اختلاف سایز آنها در افزارههای میکروفلوییدیکی ارائه شده است. در این افزارهها طراحی کانال به نحوی که عملکرد مورد نظر را داشته باشد بسیار حائز اهمیت است. مزیت روش ارائه شده زمان کوتاه اجرای کد مبتنی بر آن است. بنابراین انجام شبیه سازی بدین طریق برای حالت واقعی یعنی جریانی با چندین ذره در کل کانال، امکانپذیر خواهد بود. در نتیجه میتوان عملکرد افزاره طراحی شده را قبل از ساخت آن پیشبینی کرد. شبیهسازی واقعی افزارههای میکروفلوییدیکی میتواند باعث بهبود عملکرد آنها بوسیلهی تغییر در طراحی آنها قبل از ساخت افزاره شود. این کار از جهت صرفه جویی در مصرف زمان و کاهش هزینههای ساخت حائز اهمیت است.
کلمات کلیدی: میکروفلوئیدیک، جداسازی ذرات، شبیهسازی،.DLD
.1 مقدمه
جداسازی ذرات زیستی مرحلهای اساسی و اجتناب ناپذیر در بسیاری از فرایندهای پزشکی و زیستشناسی است. از
جمله:
-1 تشخیص انواع بیماریها ازجمله سرطان بوسیلهی جداسازی و شناسایی ذرات زیستی تخریب شده در روند بیماری.
-2 درمان بیماریها بوسیلهی آزمایش بر روی ذرات جدا شده و تولید داروی مقابله کننده با بیماری. -3 استفاده از ذره جدا شده برای درمان بیماری مانند سلولهای بنیادی.
-4 مطالعات زیست شناسی بر روی ذرات جدا شده.
امروزه روشهای مختلفی برای جداسازی و تشخیص ذرات زیستی در مراکز پزشکی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار میگیرند که مستلزم استفاده از دستگاههای پیچیده و گران قیمت و آموزش افراد برای استفاده از آنها هستند در نتیجه
هزینههای زیادی را برای خرید مواد شیمیایی بدنبال دارد. این تجهیزات فضای زیادی را اشغال میکنند و به مقدار نمونه خون یا بافت و زمان زیادی برای پاسخگویی احتیاج دارند. اشکال دیگر این روشها نیاز به فرایند برچسب گذاری است که این امر میتواند بر روی خصوصیات ذرات تاثیر گذار باشد و آخرین مورد نبود دقت بالا در افزارههای مذکور است.
این مشکلات باعث شده است امروزه فناوریهای جدید مبتنی بر فناوری ریزسیالات برای جداسازی ذرات زیستی بسیار مورد توجه قرار گرفته شوند. سامانه های ریزسیالاتی شامل شبکهای از کانال های ریزسیالاتی هستند که اغلب برای تحقیقات و تحلیل های بیوشیمیایی- پزشکی و شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرند. اینگونه افزارهها مزایای منحصر به فردی در مخلوط کردن نمونه های سیال، واکنش شیمیایی سیالات و جداسازی ذرات موجود در سیالات دارند. از مزایای آنها می توان به کاهش هزینه های ساخت افزاره، نیاز کمتر به وسائل آنالیز، سرعت عمل بیشتر و تطبیق پذیری با سامانه-های آزمایشگاه بر روی تراشه (Lab on chip)یا به اختصار LOC اشاره نمود.
در روشهای جداسازی هیدرودینامیکی خواص مکانیکی ذرات مانند چگالی، انعطاف پذیری، اندازه و جرم تاثیر گذار هستند. برای بهره بردن از این خواص در جداسازی ذرات از افزاره های ریز سیالاتی استفاده میشود. روشهای جداسازی مبتنی بر آنتی بادی در بعضی موارد باعث آسیب رسیدن به سلول میشود و قابلیت اطمینان برای کشت آن را کاهش می-دهد. امتیاز اصلی روشهای فیزیکی درصد بالای زنده ماندن و تغییر نکردن خصوصیات سلول پس از جداسازی است. هدف از این کار شبیه سازی مسیر حرکت ذرات در افزارههای میکروفلوییدیکی به منظور جداسازی ذرات مبتنی بر اختلاف سایز آنها است. به همین منظور در این تحقیق به عنوان مثال شبیه سازی با روش ذکر شده را برای افزاره میکروفلوییدیکی جابهجایی عرضی قطعی انجام شده است. در ادامه به بررسی جزئیات روش ارائه شده میپردازیم.
.2 افزاره جابهجایی عرضی قطعی (Deterministic Lateral Displacement) یا :DLD
وجود مشکلاتی در عملکرد افزارههای صافی فیزیکی، سبب شده است با اندکی تغییر در اساس آن ها، افزارههای DLD معرفی شوند. در این افزارهها موانعی به طور منظم وجود دارد که سبب تغییر مسیر خط جریان سیال میشود. ذرات کوچکتر با خطوط جریان حرکت میکنند اما ذرات بزرگتر از مسیرهایی با پهنای بیشتر عبور میکنند. زاویهی قرارگیری ردیفهای موانع نسبت به یکدیگر سبب جدا شدن (در راستای عرضی) بین ذرات کوچکتر و بزرگتر در طول کانال میگردد. در شکل 1 این روند نشان داده شده است.
2
شکل 1 آرایه DLD برای جداسازی پلاکت و گلبول قرمز از گلبول سفید و ذرات بزرگتر. (a طراحی آرایهی موانع (b شبیه سازی سیالاتی دو بعدی (c شبیه سازی سیالاتی 3 بعدی
روش DLD نسبت به روش استفاده از صافی امتیازاتی از قبیل مسدود نشدن، زمان کار کرد بیشتر و افت فشار کمتر را دارد. همچنین برای جداسازی ذرات با ابعاد کم نیازی به اندازه مشخصه افزاره در ابعاد سلول نیست و این افزاره دارای قابلیت تفکیک پذیری ذراتی با ابعاد میکرومتری و نانومتری است. از جمله مزیتهای این نوع افزارهها این است که موازی سازی این افزارهها باعث ایجاد شبکهای با ظرفیت بالا میشود.
هدف از استفاده از DLD در این شبیه سازی جدا کردن پلاکتها و گلبولهای قرمز از بقیه اجزای خون است. همانطور که اشاره شد افزاره DLD برای جداسازی ذرات بر اساس اندازهی آنها استفاده میشود. قطر اجزای سلولی خون به این ترتیب است: پلاکت 1 میکرون، گلبول قرمز 8-4 میکرون، گلبول سفید 12- 7 میکرون. پس از ورود سیال به DLD ذرات بزرگ نمیتوانند به صورت زیگزاگ با خطوط جریان از بین موانع عبورکنند، به همین دلیل حرکت آنها نسبت به جریان سیال زاویه پیدا کرده و به صورت مورب به جلو میروند؛ اما ذرات کوچکتر در خط جریان خود میمانند، از بین موانع عبور کرده و با سرعت خالصی در جهت جریان سیال به پیش میروند. اختلاف سرعت عرضی ذرات گوناگون، سبب ایجاد فاصله بین آنها در عرض کانال میشود.
.3 شبیه سازی /
برای شبیه سازی افزاره از نرم افزار کامسول بهره گرفته شده است. این نرم افزار با حل معادلات مربوطه به روش المان محدود، اطلاعات کمّی را در اختیار محقق قرار میدهد. مدل سازیهای انجام گرفته در این قسمت بر پایه فرضهای مدل
