توصيفگر ها :
مطالعه آزمايشگاهي , ميكروفلوئيديك اينرسي , ميكروكانال اسپيرال , آرايههاي انبساطي , شبيهسازي عددي
چكيده فارسي :
يكي از راهكارهاي تشخيص زودهنگام بيماري سرطان و كنترل روند درمان آن، استفاده از فناوري ميكروفلوئيديك اينرسي جهت جداسازي سلولهاي سرطاني از خون ميباشد. ميكروكانالها با هندسههاي مختلفي در اين تكنيك جهت جداسازي سلولهاي سرطاني از يك نمونه سلولي مورد مطالعه قرار گرفته است كه در ميان آنها هندسههاي اسپيرال متعارف توجه زيادي را به خود جلب كرده است. مطالعات گذشته و همچنين پژوهش حاضر نشان ميدهد كه تنها نيروي ليفت و نيروي درگ ناشي از جريان دين بر موقعيت تعادلي ذرات درون ميكروكانالهاي اسپيرال متعارف اثرگذار هستند و كنترل دقيق موقعيت تعادلي ذرات درون اين هندسهها امكانپذير نميباشد. در راستاي مطالعهاي كه در پژوهش حاضر روي موقعيت تعادلي يك ذره در يك ميكروكانال اسپيرال متعارف انجام شد، مدلي ارائه شد كه موقعيت تعادلي ذره را بر مبناي پارامترهاي هندسي كانال، دبي جريان و اندازه ذره پيشبيني ميكند. يكي از راهكارهايي كه محققان در جهت رفع اين چالش ارائه دادند، ادغام نمودن آرايههاي انبساطي با هندسه اسپيرال متعارف ميباشد كه در اين پژوهش نيز اين راهكار دنبال شد. اين رساله به بررسي تمركز اينرسي سلولهاي توموري در گردش پستان (MCF-7) در يك طرح ميكروكانال كه ادغامي از آرايههاي انبساطي ايرفويلي شكل با هندسه اسپيرال متعارف ميباشد، ميپردازد. در واقع اضافه نمودن آرايههاي انبساطي به هندسه اسپيرال متعارف منجر به كنترل شدت جريانهاي ثانويه دين ميشود و همين امر در كنترل مؤثرتر موقعيت تعادلي ذرات نقش دارد. ميكروكانال پيشنهادي شامل 5 حلقه، يك ورودي، دو خروجي، ارتفاع 75 ميكرومتر، عرض 150 ميكرومتر براي نواحي انقباضي و بيشينه عرض 500 ميكرومتر براي نواحي انبساطي ميباشد؛ به گونهاي كه نسبت حجم نواحي انبساطي به انقباضي 1/0623 ميباشد. خروجي دروني ميكروكانال جهت خارج شدن سلولهاي MCF-7 و خروجي بيروني جهت خارج شدن باقيمانده سيال عملياتي در نظر گرفته شده است. بدين منظور، در وهله اول با استفاده از شبيهسازيهاي عددي تصميم گرفته شد كه در طراحي ميكروكانال، از آرايههاي انبساطي ايرفويلي شكل به جاي مستطيلي شكل استفاده شود. در اين راستا، به بررسي ميدان سرعت جريان سيال در دو هندسه ادغامي كه يكي از آنها داراي آرايههاي انبساطي مستطيلي شكل و ديگري آرايههاي انبساطي ايرفويلي شكل ميباشد، پرداخته شد. نتايج بررسي ميدان سرعت جريان سيال نشان داد كه در گوشههاي آرايههاي انبساطي مستطيلي، جرياني به صورت گردابهاي شكل ايجاد ميشود كه خود عامل كاهش عملكرد هندسههاي ادغامي با آرايههاي انبساطي ميشود. در ادامه مطالعات عددي، به بررسي اثر دبي جريان بر موقعيت تعادلي ذرات 16 ميكروني، به عنوان نماينده سلولهاي MCF-7، پرداخته شد. نتيجه اين مطالعات نشان داد كه بالا بردن دبي جريان منجر به نزديكتر شدن موقعيت تعادلي ذرات 16 ميكروني به ديواره دروني ميكروكانال ميشود؛ به گونهاي كه با افزايش دبي جريان از دبي 200 ميكروليتر بر دقيقه تا 500 ميكروليتر بر دقيقه، فاصله موقعيت تعادلي ذرات در خروجي ميكروكانال به اندازه 87/92 ميكرومتر به ديواره دروني ميكروكانال نزديكتر ميشود. لازم به ذكر است كه در روال انجام مطالعات عددي اين رساله، از شيوه تعامل سيال-جامد نيز استفاده شد تا با استفاده از اين رويكرد نيروهاي ليفت وارد بر ذره با توجه به موقعيت ذره در سطح مقطع كانال محاسبه شود. در ادامه مطالعات، به صورت آزمايشگاهي به بررسي تمركز اينرسي سلولهاي MCF-7 در دو دبي 200 و 300 ميكروليتر بر دقيقه درون هندسه پيشنهادي پرداخته شد. نتايج مطالعه آزمايشگاهي نشان داد كه با افزايش دبي جريان، بازيابي بيشتري از سلولهاي MCF-7 از خروجي هدف حاصل ميشود؛ به گونهاي كه افزايش دبي جريان به ميزان 100 ميكروليتر بر دقيقه، منجر به 10 درصد افزايش بازيابي سلولهاي MCF-7 ميشود.
چكيده انگليسي :
The early detection of cancer and effective treatment management can be significantly enhanced through the application of inertial microfluidic technology, specifically designed for the separation of cancer cells from blood samples. Research has explored various microchannel geometries for this purpose, with conventional spiral geometries receiving considerable attention. Previous studies, including the present investigation, have demonstrated that the equilibrium position of particles within conventional spiral micro channels is primarily influenced by the lift and drag forces generated by Dean flow. However, achieving precise control over the equilibrium position of particles in these geometries remains a challenge. This thesis builds upon previous work by proposing a predictive model for the equilibrium position of particles, considering the channel's geometric parameters, flow rate, and particle size. To address the limitations of conventional spirals, researchers have suggested the integration of expansion arrays. This study follows that approach, examining the inertial concentration of circulating breast tumor cells (MCF-7) using a microchannel design that combines airfoil expansion arrays with conventional spiral geometry. The incorporation of expansion arrays is expected to enhance the manipulation of secondary Dean flows, thereby improving control over the equilibrium position of particles. The proposed microchannel design comprises five loops, a single inlet, and two outlets. It features a uniform height of 75 μm, with contraction regions measuring 150 μm in width and expansion regions reaching a maximum width of 500 μm. This configuration results in a volume ratio of 1.0623 between the expansion and contraction regions. The inner outlet is designed for the collection of MCF-7 cells, while the outer outlet facilitates the removal of the remaining operating fluid. Initially, numerical simulations were employed to compare the performance of airfoil expansion arrays versus rectangular expansion arrays within the microchannel design. The analysis revealed that vortex formations at the corners of the rectangular expansion arrays adversely affected the performance of the integrated geometries. Subsequent numerical studies investigated the impact of flow rate on the equilibrium position of 16-micron particles, representative of MCF-7 cells. The findings indicated that increasing the flow rate results in the equilibrium position of these particles shifting closer to the inner wall of the microchannel. Specifically, as the flow rate increased from 200 μl/min to 500 μl/min, the distance of the equilibrium position at the microchannel outlet decreased by 87.92 μm. Moreover, this thesis employed a fluid-solid interaction method to calculate the lift forces acting on the particles in relation to their position within the channel cross-section. Building on these numerical findings, we conducted experimental investigations into the inertial concentration of MCF-7 cells at flow rates of 200 and 300 μl/min within the proposed geometry. The experimental results demonstrated that higher flow rates resulted in improved recovery of MCF-7 cells; specifically, a 100 μl/min increase in flow rate corresponded to a 10% enhancement in recovery efficiency.
