摘要：微小颗粒的分离在生物、医学、化学及环境等领域具有重要应用。基于微流控技术和铁磁流体的颗粒操控受到广泛关注,但现有研究普遍关注微尺度颗粒,亚微米及纳米尺度颗粒的操控技术仍不成熟。因此,该文旨在研究基于鞘流和负磁泳机制的亚微米颗粒分离。采用数值模拟方法对所设计微通道中铁磁流体中的二元抗磁颗粒分离进行系统研究;考察磁场和流场对颗粒分离的影响,分析规律并阐明力学机制;调节相关参数,实现了微米与微米、亚微米与微米、亚微米与亚微米颗粒的有效分离。该工作可为基于铁磁流体的生物颗粒分离装置的设计和优化提供参考。

摘要：细胞划痕尺寸的定量控制是探究细胞迁移过程的先决条件。该文基于微流控技术,设计了一种利用胰蛋白酶消化法制造细胞划痕的微流控芯片,提出了基于流量控制定量调控细胞划痕尺寸的方法,并通过数值仿真、荧光素可视化实验以及细胞实验对该方法进行了分析和验证。荧光粉实验与数值仿真结果表明,荧光粉溶液宽度,等效于划痕宽度,与荧光粉溶液流量比成正比例线性关系。在总流量一定情况下(Q0=100μl/min),增加荧光粉溶液流量(Q2=50μl/min)可减小分子横向扩散的影响,维持主通道内划痕宽度的一致性。内皮细胞划痕实验结果有效证明了基于流量控制胰蛋白酶消化产生细胞划痕方法的可行性,且与数值仿真和荧光粉可视化实验结果吻合良好。该文设计的微流控芯片及细胞划痕尺寸定量控制方法为研究细胞迁移和开展内皮细胞划痕愈合实验提供了有效的实验平台。

摘要：细胞的增殖、分化和凋亡等生物学行为受其所处的微环境调控,而微环境包含剪切力和生化因子等理化因素。为离体研究胞外微环境剪切力和生化因子对细胞的联合作用,该文基于流体力学和物质传输的原理设计了一种包括生化因子入口端A和非生化因子入口端B的Y型微流控装置。通过保持入口端A的体积流量率恒定,动态调控入口端B的体积流量率,可在混合通道内提供单纯的动态剪切力、动态剪切力和动态生化因子、以及动态剪切力和稳定的生化因子三种刺激。对混合通道中的非定常层流和Taylor-Aris弥散方程进行数值求解,获得了混合通道内动态剪切力和生化因子浓度的分布,随后利用荧光粉溶液进行了实验验证。数值仿真和实验验证结果均显示该文设计的微流控装置为进一步研究离体培养细胞在剪切力和生化因子联合刺激下的生物学效应提供了可能性。

摘要：为离体研究运动对颈总动脉内皮细胞功能的影响,该文设计并构建了模拟运动后颈总动脉振荡切应力的流动腔装置。通过建立五元件集中参数模型,以33名男性健康大学生急性有氧运动后颈总动脉处的振荡切应力特征值和波形图为模拟目标,利用Matlab Simulink软件包进行数值仿真确定输入流量率和各元件参数值,选择合适的元件进行装置的搭建以及调试。结果表明,该文设计和构建的装置能产生稳定的振荡切应力波形,且能较好模拟急性有氧运动后颈总动脉处的振荡切应力特征值及波形图。该文装置将为离体研究运动后振荡切应力影响内皮细胞的分子生物学机制提供较理想的实验平台。

摘要：生理介质中的纳米粒子扩散在生命演化、信息传递、药物输运等过程中至关重要。黏液、组织液、细胞质等生理介质不仅具有复杂多孔特性,还往往表现出与生命活动相关的微尺度流动。流动与扩散的相互作用异常复杂,且受到生理介质的多孔特性影响。实验利用微流控技术构建高分子溶液微尺度流动环境,采用粒子追踪技术测量纳米粒子的运动,基于统计特征量表征纳米粒子的运动特性,分析微尺度流动对纳米粒子扩散的影响。结果显示,微尺度流动对流动方向和垂直于流动方向上的纳米粒子扩散均产生影响:流动方向上的纳米粒子扩散受限程度减弱,呈现次扩散、正常扩散和超扩散的多阶段特征;垂直于流动方向上的纳米粒子扩散呈现近似布朗特征,但扩散系数相较于静态情形明显提高。分析表明,高分子溶液中微尺度流动对纳米粒子扩散的影响主要源于高分子网络结构及其动力学特性的改变。研究结果可为解读生理介质中纳米粒子输运机制及纳米药物设计与输运增强应用提供参考。

摘要：2015年仲夏,两年一次的＂中国力学大会＂在上海交通大学隆重召开。期间,我们组织了＂MS36生物微流控技术＂专题研讨会,主要针对微尺度流体力学与生命科学的交叉领域——生物微流控（Biomicrofluidics）的相关理论、技术、发现和应用展开讨论。本次专题研讨会得到了力学界前辈的热心关怀。在《水动力学研究与进展》编辑部大力支持下,我们征集本专题研讨会的部分研究成果,汇集宏观尺度的生物流体力学领域的部分进展,形成了本期＂微流控技术与生物流体力学＂专辑。

摘要：血管内皮细胞(endotheial cells,EC)和血管平滑肌细胞(smooth muscle cells,SMC)的相互作用失衡是动脉粥样硬化等心血管疾病发病的重要原因。目前这两种细胞联合培养模型一般为多细胞混合培养,不同细胞个体之间相互干扰,很难准确得到EC和SMC之间的作用机制,也无法实现动态检测活细胞内单细胞及亚细胞水平的变化。该文基于流体力学原理设计微流控内部通道结构和细胞培养腔室,采用改进的U型陷阱进行细胞抓捕;针对EC和SMC两种细胞在血管中的层次结构,分别设计了直接接触和非直接接触两种方式。选取PDMS(ploydimethylsiloxane)为材料,采用模塑法制作两种不同接触方式的芯片。分别在两种芯片内进行EC和SMC抓捕与培养,调整细胞浓度与灌流速度,通过显微镜动态观察细胞的捕获与生长状态,实现了单细胞水平的EC-SMC联合培养模型,为研究动脉粥样硬化等疾病的两种细胞相互作用提供了新的平台。

摘要：快速有效地分离出活性精子,对成功受孕和婴儿健康至关重要。传统分离精子的方法容易损坏精子、价格昂贵。而微流控技术的出现为精子分离提供了有效的平台,该文利用层流和精子趋化性原理,设计了一种X-型的微流控芯片。利用分离变量法,对含有生化因子的定常流的对流-扩散方程进行精确求解,获得了生化因子在通道内的浓度分布情况。此外,基于层流和精子趋化性原理,利用该芯片对精子的分离进行了初步研究。

摘要：目的设计微流控芯片以便高效简便地捕获大量单细胞并测量其弹性模量。方法根据流体力学原理,设计微流控阵列及其单细胞捕获单元的通道结构和几何尺寸。培养海拉细胞,制作微流控芯片实物,并采用该芯片进行单细胞捕获实验。采用COMSOL软件对作用在被捕获细胞上的剪切力和压差进行有限元仿真。根据作用在被捕获细胞两侧的压差值和细胞在捕获通道中的伸长长度,计算出细胞的弹性模量。结果所设计的微流控芯片能有效地捕获大量单细胞;计算的单细胞弹性模量为780.7Pa±100.5Pa,与文献中报道的763Pa±93Pa接近。结论本文所提出的微流控芯片可高效捕获单细胞并测量单细胞力学特性。

摘要：L3二维光子晶体谐振腔集成微流槽折射率生物传感器在氮化镓(GaN)衬底材料上制备而成,其表面集成微流槽用于盛装生物样本。谐振腔的共振峰的中心频率对微流槽内生物样本折射率的变化十分敏感。该文分别对微流槽内生物样本折射率是1.33,1.48,1.518的情况进行了理论仿真。结果表明,GaN衬底的L3二维光子晶体谐振腔共振峰的中心频率可以设计在650 nm附近,共振峰的半高宽度为9.8 nm,共振峰中心频率随折射率变化产生的频移(即灵敏度)是35 nm/RIU(Refractive Index Unit)。测量共振峰的频移可实现对生物样本折射率变化的检测。