力學所基於流體粘彈性效應的生物顆粒微流控分離研究獲進展

2020-12-08 中國生物技術信息網

力學所基於流體粘彈性效應的生物顆粒微流控分離研究獲進展

來源：力學研究所   發布者：張薦轅   日期：2015-08-03   今日/總瀏覽：4/1521


顆粒和細胞的連續操控與分離在生物學、醫藥及工業中具有重要意義。顆粒和細胞能夠應用於與顆粒尺度相關的流體作用力比如慣性效應和粘彈性效應而實現分離。簡單而言，慣性升力與顆粒直徑4次方成比例而粘彈性升力與顆粒直徑3次方成比例。在牛頓流體微流控器件中，慣性效應已經獲得廣泛研究並用於細胞的高通量無標記分離。然而，在高雷諾數下慣性匯聚模式將變得複雜，常常導致不利於分離的多個橫向平衡位置。此外，為了成功匯聚更小尺度顆粒，微通道橫截面將不得不隨之縮小。

　　

中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室的研究人員首次實現了在筆直矩形微通道中不同大小顆粒和細胞的無標記、無鞘流、低成本分離。發現不同於傳統上只有通道中央存在一個平和位置的匯聚模式：即大顆粒將向靠近側壁的橫向位置移動。通過探索此非常規機理，他們成功實現了大範圍內顆粒的完全分離，即大顆粒匯聚在兩側壁面附近而小顆粒匯聚在通道中央。兩類二元混合生物顆粒包括MCF-7 腫瘤細胞/紅細胞以及大腸桿菌/紅細胞均可因其尺度不同而獲得好質量分離。此外，通過調控流體的流變性質，即削弱剪切稀化並使之具有低粘度和高動態彈性模量，能夠將處理通量相比於現有研究提高至少一個數量級。因其特別簡單的直通道構型，通過多通道的並行化可進一步大幅度提高樣品處理通量。所發展的方法具有設計簡單和通量提高的優勢，將拓展粘彈性效應微流控器件在顆粒/細胞等分離上的應用。

　　

上述結果發表在Analytical Chemistry，通訊作者為研究員胡國慶。第一作者為博士研究生劉超。同一課題組前期有關牛頓流體慣性效應的研究已發表於Lab on a Chip、 Biomicrofluidics、Physics of Fluids等期刊。研究工作獲得了科技部「973」計劃和國家自然科學基金支持。

相關新聞

相關焦點

  • 微流控設計研發：慣性微流控聚焦的應用
    近年來，微流控技術因其在高通量，高效生化反應和篩選的研究中所展現出的巨大應用潛力而快速發展，其中慣性微流控是典型代表之一。慣性效應是能夠實現顆粒高通量精確操控的一種新穎微流控方法。慣性升力會驅動顆粒在微通道內發生側向遷移，通過調控顆粒的慣性遷移可實現不同尺寸顆粒的聚焦，富集和分離等功能。它的物理原理相對簡單。如果微粒懸浮液進入螺旋形微通道，那麼在很短的時間內，微粒將橫穿通道。
  • 流場形貌的控制是微流控領域一個基礎研究問題
    打開APP 流場形貌的控制是微流控領域一個基礎研究問題 MEMS 發表於 2020-12-02 10:23:20 流場形貌的控制是微流控領域一個基礎研究問題。
  • Nature | 細胞外基質粘彈性影響細胞行為
    組織和ECM的多種機械行為重疊，包括多孔彈性效應，非線性彈性，粘彈性和粘塑性，構成了組織和ECM複雜的機理。隨後作者介紹了二維培養基與分子離合器，粘彈性對細胞的作用可以利用具有獨立可調粘彈性特性的生物材料，通過二維培養基研究得到證明，但近年來不同細胞的數據結果看似相互矛盾，為了解釋這些結果，應用了計算模型。
  • 數字微流控技術的基本工作原理
    控制極化位置以生成張力梯度，使受控液滴位移發生在微流控平臺表面。 數字微流控平臺的設置基於基板、電極及其配置，使用的電介質及其厚度，疏水層和施加的電壓。各個電極在底層以陣列形式圖案化，連續電極則位於頂層。 介電材料（如玻璃）圍繞著底層電極，負責電荷和電場梯度的積累。頂層通常塗有疏水層，以在微滴接觸點處生成低表面能。
  • 力學所微柱陣列表面潤溼動力學研究取得新進展
    近日，國際流體力學權威期刊《流體力學雜誌》(Journal of Fluid Mechanics）發表了中科院力學所趙亞溥研究員課題組在微柱陣列親液表面上的跨尺度潤溼動力學的研究結果 (Yuan QZ and Zhao YP*.
  • 電彈性毛細模擬研究獲進展
    力學所的論文被選為《物理評論快報》第104卷第24期的封面。該圖說明了該課題組所提出的「電彈性毛細」現象的動力學過程以及前驅膜和彈性軟膜之間的相互作用。  在國家科技部、中國科學院和國家自然科學基金委員會的大力支持下，中國科學院力學研究所「微納系統力學與物理力學課題組」在液滴潤溼、電潤溼和電彈性毛細現象的分子動力學模擬方面取得新進展，研究成果作為封面論文發表在美國《物理評論快報》（PRL）上(Yuan QZ and Zhao YP*.
  • 微流控設計研發:微流控技術研究應用新進展
    微流控技術的優勢早已被人們所熟知，隨著晶片加工工藝的發展進步，人們越來越多地將這一技術應用於商業化項目，使這些商業產品越來越向微型，集成化和自動化方向發展。而更多的科學家則是將微流控晶片技術應用到基礎研究上，為原有的醫學診療打開了另一扇大門，有效地降低病人的痛苦，提高診斷效率。
  • 微流控晶片行業研究|微流控技術|晶片|生物|診斷|化學|-健康界
    微流控的「微」是指實驗儀器設備的微型化（尺寸為數十到數百微米）；「流」是指實驗對象屬於流體（體積為納升到阿升）；「控」代表著在微型化設備上對流體的控制、操作和處理。它屬於一種底層技術，交織著化學、流體物理、微電子、新材料等多門學科知識，從理論上說任何流體參與的實驗，都應有微流控技術的一席之地。
  • 納米生物效應研究進展
    2004年美國、英國、法國、德國、日本、中國以及中國臺灣相繼召開納米生物環境效應的學術會議。 在國際上，納米生物效應研究已經取得了一些初步結果。限於篇幅，本文省略對正面納米生物效應的敘述(比如納米醫學就是基於正面納米生物效應的應用)，主要介紹一些納米負面生物效應。
  • 東南大學趙遠錦教授課題組心臟晶片研究獲重要進展
    日前，東南大學生物科學與醫學工程學院趙遠錦教授課題組在心臟晶片研究方面取得重要進展，課題組成員基於微流控技術開發了系列仿生螺旋纖維，並將其作為微彈簧用於心肌細胞收縮力學的傳感。
  • 五位生物材料大牛Nature綜述 | 材料基質的粘彈性對細胞有何影響?
    在20世紀90年代末，Pelham和Wang發現不同彈性模量的聚丙烯醯胺水凝膠影響著細胞與ECM的粘附、細胞擴散和遷移。自從這項研究以來，許多研究小組已經使用聚丙烯醯胺凝膠和具有可調彈性模量的各種其他材料系統來表明基質硬度影響其他各種過程，包括增殖和凋亡、幹細胞分化、乳腺癌進展和對藥物的反應。
  • 微流控技術的生物學應用
    隨著用於微通道中流體的注射、混合、泵送和存儲的新器件和工藝的發展，近年來微流控系統在化學和生物化學中的應用越來越廣泛。儘管微流控技術近年來取得了一定進展，但在樣品引入和處理一定體積範圍的流體方面仍然存在一些挑戰。納米技術的最新發展則有助於提升微流控技術。微系統已經徹底改變了可用於分析複雜樣品的高靈敏度生物分析系統的發展。
  • 微流控晶片：流動現象、基本原理及研究進展
    在這種微尺度系統中，涉及化學、生物及細胞、器官中的流動，需要在低雷諾數層流、非牛頓流、生物流體等理論基礎上，針對微尺度流動特點開展研究，考慮動電效應、界面效應、多物理場耦合效應等。目前，微流控正在向納米流控晶片發展，並且在納米醫學、器官晶片等新領域逐漸發揮重要的作用，一些新的流動現象已引起國內外相關領域的極大關注。
  • 一文了解微流控技術的生物學應用
    隨著用於微通道中流體的注射、混合、泵送和存儲的新器件和工藝的發展，近年來微流控系統在化學和生物化學中的應用越來越廣泛。儘管微流控技術近年來取得了一定進展，但在樣品引入和處理一定體積範圍的流體方面仍然存在一些挑戰。納米技術的最新發展則有助於提升微流控技術。微系統已經徹底改變了可用於分析複雜樣品的高靈敏度生物分析系統的發展。
  • 力學所納米結構陶瓷塗層界面粘結性能研究取得進展
    近日，中國科學院力學研究所在納米結構陶瓷塗層與合金基底的界面粘結性能、納米結構塗層的導熱性能和彈性性能等研究上取得了新進展，揭示了界面粘結性能及相關力學性能的微結構尺度效應及其物理機制。　　陶瓷塗層由於具有良好的熱絕緣、抗氧化及耐腐蝕等優異性能，在機械工程、化工、生物醫療、電子、航天航海等眾多領域都有廣泛應用。
  • 《轉》訪中國科學院毛紅菊研究員：基於微流控的器官晶片技術的發展
    微流控（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸為數十到數百微米）處理或操縱微小流體（體積為納升到阿升）的系統所涉及的科學和技術，是一門涉及化學、流體物理、微電子、新材料、生物學和生物醫學工程的新興交叉學科。它具有體積輕巧、使用樣品及試劑量少、能耗低且反應速度快，可大量平行處理，即用即棄等優點。
  • 微流控技術「顛覆」在哪裡?
    突破時間、空間限制的微流控技術　　作為晶片實驗室(Lab on chip)的典型代表技術，微流控技術發展迅速，目前已經發展成為一門涵蓋分離分析、分子生物學研究
  • 微流控技術的起源
    微流控技術 微流控（microfluidics）是一種精確控制和操控微尺度流體， 以在微納米尺度空間中對流體進行操控為主要特徵的科學技術，具有將生物、化學等實驗室的基本功能諸如樣品製備、反應、分離和檢測等縮微到一個幾平方釐米晶片上的能力，其基本特徵和最大優勢是多種單元技術在整體可控的微小平臺上靈活組合、規模集成。
  • 微流控技術的研究發展及應用前景
    早在2003年，微流控技術就被福布斯（Forbes）雜誌評為影響人類未來15件最重要的發明之一。這項技術使得實驗室研究產生了革命性的變化，並在生物化學、醫學等諸多領域得到了廣泛應用。我們來看看微流控技術目前的研究發展及應用前景。 微流控晶片細胞分離 通過不同的分選原理，微流控晶片可實現對不同細胞的分離。