基于Comsol Multiphysics的微溝道式細(xì)胞分選儀研究

鄭陳+張仁杰

摘 要：細(xì)胞分選儀可以分析患者的病情，準(zhǔn)確而快速的分析能夠使患者得到及時(shí)治療。目前常用的細(xì)胞分選儀以流式細(xì)胞分選儀為主。隨著醫(yī)學(xué)界對(duì)細(xì)胞篩選、分離等能力要求的不斷提高，其對(duì)細(xì)胞分選儀的精確度和運(yùn)行速度提出了較高要求，并向小型化、集成化方向發(fā)展。因此，微溝道式細(xì)胞分選儀的理論研究備受矚目。微溝道式細(xì)胞分選儀在提取細(xì)胞的基礎(chǔ)上，把細(xì)胞按照需要篩選到不同試管內(nèi)，以方便進(jìn)一步分析與鑒定；通過Comsol Multiphysics軟件的仿真環(huán)境，對(duì)微溝道式細(xì)胞分選儀的分選過程作必要的理論分析，并對(duì)細(xì)胞分選過程作模擬和定性分析。

關(guān)鍵詞：細(xì)胞分選；細(xì)胞篩選；小型化；微溝道；Comsol Multiphysics

DOIDOI：10.11907/rjdk.172236

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）002-0128-03

0 引言

目前細(xì)胞分選儀主要向小型化、集成化、模塊化發(fā)展，具體來說就是性能變得更加可靠，機(jī)身小巧，方便運(yùn)輸。尤其在機(jī)器運(yùn)行操作方面有了很大改進(jìn)，主要向簡(jiǎn)化操作、易于控制等方面發(fā)展。即使是初學(xué)者，也可以在很短時(shí)間內(nèi)掌握操作方法，從而大大提高可操作性，為醫(yī)院節(jié)約成本作出了巨大的貢獻(xiàn)。在系統(tǒng)信息采集方面，由于傳感器等電子行業(yè)的快速發(fā)展，系統(tǒng)采集信息的能力大幅提高，同時(shí)整體的靈敏度和分辨率提升[1]。機(jī)器從裝配、控制、信息采集、獲取到分析的過程都可以輕松掌控。

總的來說，細(xì)胞分選儀主要包含3個(gè)模塊：流體控制、光學(xué)檢測(cè)和分選模塊。作為用于臨床診斷和生物醫(yī)學(xué)研究的重要設(shè)備，流式細(xì)胞儀在醫(yī)學(xué)界不可或缺。在血液細(xì)胞計(jì)數(shù)、熒光蛋白的篩選等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。從本質(zhì)上說，當(dāng)細(xì)胞流過毛細(xì)管時(shí)，細(xì)胞被控制一個(gè)接一個(gè)通過導(dǎo)管，此時(shí)流式細(xì)胞儀通過對(duì)細(xì)胞散射和發(fā)出的熒光識(shí)別不同標(biāo)記的細(xì)胞，經(jīng)常選擇模塊進(jìn)入不同試管中（見圖1）。

具體來說，流體控制系統(tǒng)就是當(dāng)懸浮液細(xì)胞進(jìn)入導(dǎo)管單元時(shí)，細(xì)胞以近似勻速的速度一個(gè)接著一個(gè)流過流動(dòng)室。流動(dòng)室是流體控制系統(tǒng)的核心部分，是由樣品管、鞘液管和噴孔等3個(gè)部分組成，流動(dòng)室通常是由光學(xué)玻璃或石英等透明且穩(wěn)定的材料精密制成[2]。而樣品管的主要作用是存儲(chǔ)細(xì)胞樣品，細(xì)胞懸液在流室內(nèi)的壓力作用下進(jìn)入樣品管，經(jīng)鞘液管向噴孔流去。因?yàn)橐刂屏黧w的流動(dòng)速度，以方便準(zhǔn)確測(cè)量，所以在通常情況下，懸浮液流速需要控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。經(jīng)過多年努力，人們已經(jīng)能夠快速、 準(zhǔn)確處理細(xì)胞樣本，而規(guī)模、復(fù)雜性和成本也在優(yōu)化與減少，使得流式細(xì)胞儀變得越來越成熟。

由于技術(shù)的不夠成熟，目前細(xì)胞分選儀設(shè)備比較大，因此，隨著科技的進(jìn)步，科學(xué)家們把目光投向了微電子行業(yè)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)元器件集成化、小型化。從而使流式細(xì)胞儀在分析速度上可以達(dá)到每秒檢測(cè)5 000～10 000個(gè)細(xì)胞，且能區(qū)分僅有5%差別的細(xì)胞。多參數(shù)的檢測(cè)與可調(diào)，從而使得流式細(xì)胞分選技術(shù)能應(yīng)用到更多的臨床實(shí)踐中。而微溝道式細(xì)胞分選儀的另一個(gè)重要組成部分即為光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)是由一個(gè)或多個(gè)激光器的不同波長(zhǎng)探測(cè)器、高靈敏度的光電倍增管（PMT）與非常復(fù)雜昂貴的光學(xué)器件等組成，這些光學(xué)器件精度非常高。大多數(shù)情況下，光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)細(xì)胞的光散射和熒光檢測(cè)收集信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理確定細(xì)胞的位置。光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)多渠道收集細(xì)胞，允許多種顏色測(cè)定，為用戶提供了更具選擇性的檢測(cè)能力[3]。

1 Comsol Multiphysics簡(jiǎn)介

Comsol Multiphyscis主要用于模擬多個(gè)物理場(chǎng)的疊加模擬效果。它提供了諸多完善的物理場(chǎng)，是一款大型的高級(jí)數(shù)值仿真軟件，被應(yīng)用于各學(xué)科的研究及工程計(jì)算中，模擬科學(xué)、工程領(lǐng)域的各個(gè)物理過程。

Comsol Multiphysics最初起源于MATLAB的一個(gè)工具箱（Toolbox），后改名為Femlab1.0，這個(gè)名稱一直延續(xù)到Femlab3.1版。從3.2版本開始，正式更名為Comsol Multiphysics，一直更新到目前常用的4.4版本。本文所用的版本正是4.4版。Comsol Multiphysics軟件可以仿真零維，一維、一維軸對(duì)稱，二維、二維軸對(duì)稱，三維。Comsol Multiphysics軟件發(fā)展至今，已經(jīng)具備了許多常用的專業(yè)模塊：AC/DC模塊（AC/DC Module）、熱傳模塊（Heat Transfer Module）、化學(xué)反應(yīng)工程模塊（Chemical Reaction Engineering Module）、結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊（Structural Mechanics Module）、微流模塊（Microfluidics Module）、多孔介質(zhì)流模塊（Subsurface Flow Module）、聲學(xué)模塊（Acoustics Module）、管道流模塊（Pipe Flow Module）、材料庫（Material Library）等。

2 模型創(chuàng)建

在建立之前要在腦海中大致有個(gè)輪廓，由于微溝道式細(xì)胞分選儀在理論上應(yīng)該是2～3個(gè)分選通道、一個(gè)主通道，稱為inlet1，用來釋放需要篩選的細(xì)胞[4]；在主通道的旁邊有一個(gè)與之垂直的分通道，此通道是可控的壓力通道，稱為inlet2。Inlet2通道的主要作用是用來改變下落細(xì)胞的軌跡，從而使得細(xì)胞按照預(yù)設(shè)想進(jìn)入需要收集的試管中，因此，在主通道的下方有3個(gè)分通道，從左往右分別為outlet1、outlet2、outlet3。具體操作：繪圖區(qū)域Graphics，所要繪制圖形是一個(gè)倒樹狀圖，要預(yù)設(shè)好各個(gè)通道的相關(guān)參數(shù)，將主通道（inlet1）的高度設(shè)置為200um，寬度為100um；副通道（inlet2）寬度為80um，高度為40um；3個(gè)出口（outlet）的寬度都為30.216 95um，左右兩邊通道分別傾斜3/4π、π/3。經(jīng)繪制可以得到圖2。endprint

Practical Tracing是Comsol Multiphysics的粒子示蹤功能，它可以用來模擬細(xì)胞在主通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，并可以根據(jù)制作者的要求顯示出不同效果。圖3是在主通道速度（inlet1）設(shè)為0.000 001m3/s、副通道（inlet2）速度為零時(shí)粒子的軌跡。

當(dāng)在副通道加上速度或者壓力時(shí)（inlet2），粒子的軌道將與所給速度或壓力的方向有關(guān)，當(dāng)給inlet2一個(gè)很小的速度時(shí)，可以觀察到粒子在軌道變化。可以根據(jù)需要變化不同的物理量來研究粒子在軌道內(nèi)的下落軌跡[5-7]，研究各物理量之間的關(guān)系。

3 模擬結(jié)果

在細(xì)胞分選時(shí)，人為控制細(xì)胞從何時(shí)開始進(jìn)入哪個(gè)管中，需研究各個(gè)量對(duì)細(xì)胞運(yùn)行軌跡的影響。首先，當(dāng)主管道inlet1流速一定時(shí)，隨著inlet2壓力的改變，用流速代替研究粒子在管道中運(yùn)動(dòng)的情況。先給粒子一個(gè)固定且適當(dāng)?shù)钠鹗嘉恢靡约俺跛俣?，得到粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4。

以（0，0）點(diǎn)為起點(diǎn)，縱坐標(biāo)設(shè)置為inlet2與inlet1的速度之比，橫坐標(biāo)設(shè)為粒子相對(duì)于中心位置（23.5，0）的偏移量，得到數(shù)據(jù)如圖5所示。

X=33.3和X=66.7分別是粒子左和右管道的分界線。粒子落在左通道，隨著通道inlet2的速度不斷減小，粒子相對(duì)于中心位置的偏移量也在不斷減小，且當(dāng)inlet2有一個(gè)很小的增量時(shí)，粒子偏移量就會(huì)有一個(gè)顯著的變化。粒子落在中心通道，當(dāng)粒子位置在（33.3，50）之間時(shí)，粒子的位置隨著inlet2速度的改變，位移量有較小的變化；在X=50時(shí)，inlet2的速度向相反方向增大；當(dāng)粒子處在（50，66.7）時(shí)，inlet2的速度有一個(gè)很小的變化，粒子位移量都會(huì)有顯著的變化。當(dāng)粒子落在右邊的通道時(shí)，這種顯著變化依然存在。當(dāng)inlet1的速度大小是inlet2反向速度大小的2倍時(shí)，粒子將打到inlet2管壁口。因此inlet2的反方向速度在選取時(shí)要精確控制，對(duì)于速度之比的分辨率要求非常高。

當(dāng)粒子位置固定，inlet2與inlet1速度為定值時(shí)，改變通道inlet2到分叉口的距離如圖6所示。

對(duì)圖6進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把采集到的數(shù)據(jù)用Excel繪制成橫坐標(biāo)為inlet2到分叉口處的距離，縱坐標(biāo)為粒子相對(duì)于橫坐標(biāo)（23.5，0）偏移量的散點(diǎn)圖（見圖7）。

從圖7可以看出，隨著inlet2位置的改變，粒子位移量幾乎不變?？梢匀?個(gè)點(diǎn)來說明為什么粒子位移量變化很小，或者幾乎不變。首先，取inlet2管道位于最上側(cè)，當(dāng)粒子從入口inlet1剛進(jìn)入時(shí)，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，粒子做的是自由落體運(yùn)動(dòng)，而inlet2所提供的速度數(shù)量級(jí)在1E-10，相對(duì)于自由落體獲得的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小得多，粒子會(huì)以極快速度通過inlet2的加速區(qū)域，因此粒子所獲得的橫向速度很小，可以說幾乎為零。因此粒子的偏移量很小。其次，當(dāng)inlet2位于中間或者下側(cè)時(shí)，由于自由落體，使得粒子自身的速度成指數(shù)倍增長(zhǎng)。因此，改變inlet2的位置獲得粒子位置的改變并不是最理想的方法；移動(dòng)的inlet2不能保證與主通道之間的密閉性，對(duì)于像細(xì)胞分選儀這樣高精度的儀器來說是不允許的。而且在儀器制造時(shí)，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高。因此，不提倡以這樣的方法獲得粒子的偏移量。

將inlet1與inlet2速度之比、inlet2的位置都設(shè)為定值。改變粒子在中心位置到交叉處的距離，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以粒子到分叉口處的距離為橫坐標(biāo)，以粒子相對(duì)于中心位置偏移量為縱坐標(biāo)。由Excel繪制散點(diǎn)圖如圖8所示。

從圖8可以看出，當(dāng)粒子遠(yuǎn)離分叉口時(shí)，粒子的偏移量在不斷增加。當(dāng)粒子遠(yuǎn)離分叉口120um左右時(shí)，粒子的偏移量趨向一個(gè)定值[8-9]。

假定細(xì)胞在管道中不是以自由落體的形式下落，忽略了細(xì)胞或者粒子自身的因素，如粘著度、大小、形狀等。在給定粒子一定下落速度的前提下，分別對(duì)粒子的位置、副通道口inlet2的位置以及inlet1與inlet2兩個(gè)通道的速度之比等條件進(jìn)行了考察。經(jīng)過試驗(yàn)分析可知，當(dāng)細(xì)胞或者粒子位置一定時(shí)，側(cè)通道（inlet2）所給速度的大小將影響細(xì)胞或者粒子的分選方向。側(cè)通道（inlet2）所給速度越大，粒子或者細(xì)胞就會(huì)落入左下方通道，但與此同時(shí)，速度不能超過一定的值，否則細(xì)胞或者粒子將打到主通道壁上，以至于影響細(xì)胞或粒子的收集速度與數(shù)量[10]。

此外，要注意左右通道與中間通道的臨界點(diǎn)，對(duì)于左通道，因?yàn)榱Ｗ与S著側(cè)通道（inlet2）所給速度的增加，粒子的偏移量適中，即分辨率可調(diào)性更強(qiáng)，因此，操作時(shí)盡量讓粒子或細(xì)胞落在左通道的中間位置。對(duì)于中間通道門，可以讓粒子或細(xì)胞自由落下，不予以人工干預(yù)就可以達(dá)到收集目的。對(duì)于右邊的通道，靈敏度比較小，可調(diào)性比較低，很小的速度變化就會(huì)使得細(xì)胞或粒子有極大的偏移量。通過此次試驗(yàn)，可以看到，在微溝道式細(xì)胞分選儀還不是很普及的今天，要想獲得精度較高的細(xì)胞分選儀，一方面要從細(xì)胞的預(yù)處理方面下工夫，另一方面要加強(qiáng)對(duì)儀器的小型化、集成化研究[11]。一門學(xué)科的發(fā)展離不開其它學(xué)科的支持，尤其是電子、材料、光學(xué)等方面的突破，都會(huì)為微溝道式細(xì)胞分選的進(jìn)步與發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持，因此，只有與其它學(xué)科相互推進(jìn)，才能更好地發(fā)展。

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