شبیه‌سازی عددی جداسازی سلول‌های لنفوسیت از دیگر سلول‌های سفید خون با استفاده از دست‌ورزی صوتی و نیروی هیدرودینامیکی در یک تراشه‌ی میکروسیالی

یکی از انواع روش‌های جداسازی ذرات در ابعاد میکرون، استفاده از امواج صوتی در تراشه‌های میکروسیالی می‌باشد. اگرچه شبیه‌سازی عددی توانایی توضیح تمام پدیده‌های پیچیده، حاکم بر دست‌ورزی صوتی ذرات در میکروسیالی را نخواهد داشت، ولی با توجه به هزینه‌های بالای ساخت، می‌تواند در بهبود عملکرد سامانه‌های میکروسیالی مورد استفاده قرار گیرد. در این پژوهش با بازطراحی ساختار کانال، شبیه‌سازی دو بعدی جداسازی ذرات در یک تراشه، شامل چهار ناحیه‌ی متمرکزسازی صوتی، انتقال، جداسازی صوتی و جداسازی هیدرودینامیکی بررسی شده است. مسیر انتهای کانال به گونه‌ای در نظر گرفته شده که اثر نیروی هیدرودینامیکی به عنوان یک واحد مستقل، نقش موثری در بهبود خلوص و بازده‌ی جداسازی ذرات ایفا کند. همچنین نشان داده شده است که فرآیند پیش متمرکزسازی ذرات، با به خط کردن ذرات پیش از ورود به ناحیه‌ی جداسازی صوتی، می‌تواند نقش مهمی در بهبود خلوص جداسازی ذرات داشته باشد. با توجه به اهمیت بالای لنفوسیت در سیستم دفاعی بدن و استفاده به عنوان سلول تی‌کایمریک گیرنده ژن، هدف جداسازی این سلول از سایر گلبول‌های سفید می‌باشد. جداسازی ذرات با ابعاد نزدیک به هم، از جمله چالش‌ها در حوزه‌ی ریزسیالی محسوب می‌شود که در طرح پیشنهادی، زیرگروه‌های گلبول سفید با اختلاف قطر جداسازی شده‌اند. توزیع فشار آکوستیک در کانال به کمک حل معادله موج آکوستیک(معادله هلم-هولتز)، در هر دو ناحیه در حدود بدست آمده است که می‌توان از حفظ خواص زیستی ذرات، تحت تنش‌های فشاری اطمینان داشت. در ادامه، نیروهای تابشی صوتی با استفاده از معادلات سِتنس-بروس استخراج شده‌اند. پارامترهای سرعت متوسط جریان غلافی، بزرگی سرعت نوسان دیواره و عرض خروجی لنفوسیت، در سرعت متوسط سیال حاوی ذرات معادل ، بر اساس بدست آوردن بالاترین بازده و خلوص جداسازی، مورد مطالعه‌ی پارامتری قرار گرفت.

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

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.