IMECH-IR  > 非线性力学国家重点实验室
微纳颗粒的高通量微流动操控研究
Alternative TitleHigh-throughput Microfluidic Manipulation of Micro-/nanoparticles
刘超
Thesis Advisor胡国庆
2016
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline流体力学
Abstract微纳尺度颗粒(包括细胞、细菌、人工合成纳米颗粒、生物大分子等)的精确操控在生物、医学、材料和环境等领域有着至关重要的应用。惯性效应是近几年出现的能够实现颗粒高通量精确操控的一种新颖微流控方法。惯性升力会驱动颗粒在微通道内发生侧向迁移,通过调控颗粒的惯性迁移可实现不同尺寸颗粒的聚焦、富集和分离等功能。惯性微流控的广泛应用有赖于对微通道中颗粒惯性运动规律的深入认识。本文通过数值模拟、实验观测及理论分析,对这一关键问题展开了系统研究。 采用三维直接数值模拟,结合实验观测,深入探讨颗粒在矩形微通道内侧向迁移行为和平衡位置的稳定性与数量。研究发现微通道中传统的汇聚模式仅在雷诺数较低情况下出现,雷诺数超过临界值时颗粒具有更复杂的汇聚模式。通过研究雷诺数、颗粒相对尺寸和通道截面宽高比对颗粒所受惯性升力分布的影响,阐释了高雷诺时复杂汇聚模式产生的机理,建立了微通道中获得利于颗粒操控的良好汇聚模式的准则。这些工作为颗粒的高通量微流动操控技术的发展提供了理论指导。 基于上述研究手段,发展惯性微流控中颗粒运动的半解析模型。借鉴经典惯性升力模型,分析了经典模型在描述矩形通道中有限尺寸颗粒受力情况时的局限性,在此基础上发展了更为合理的升力表达式,其拟合系数用直接数值模拟确定。此升力表达式为当地流场性质和颗粒性质的函数,自动包含流场影响,因此对复杂的通道构型具有更好的适应性。结合所发展的升力表达式和拉格朗日粒子追踪方法,能够快速高效地设计和优化惯性微流控器件。 通过实验测量,探索介质流变性质、颗粒相对尺寸和通道几何形状对颗粒运动的影响,增强了对黏弹性微流控器件中的颗粒操控的深入了解。我们用简单直通道设计实现了微颗粒/细胞/细菌的高效分离,并通过调节介质流变性质,使处理通量比已有黏弹性-惯性分离装置高一个数量级,创新性地拓展了黏弹性-惯性迁移效应在生化领域的应用。并在此基础上采用较低分子量聚合物调控溶液流变性质,在微通道中实现了直径为100纳米的颗粒和DNA分子的高效汇聚。 设计了具有复杂微通道的微流控芯片,利用微尺度惯性效应实现了稀有循环肿瘤细胞的超高通量富集与分离,处理通量达到同类方法的国际领先水平。还实现了粒径可控的PLGA纳米颗粒的高通量合成,其作为药物载体能够更为高效地被细胞摄取并取得更好的疗效。
Call Number31385
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59479
Collection非线性力学国家重点实验室
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GB/T 7714
刘超. 微纳颗粒的高通量微流动操控研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.
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