研究人员研发出一款压电制动器,可用于分离和纯化生物微粒!

   电子分析员        

本文提出了在声场中较大体积的微粒连续分离技术。该技术在便携式,低成本和不可生物降解的过程中具有巨大的潜力,该过程可高效地分离/纯化生物悬浮液中的微粒。使用安装在塑料锥形流体容器(CFC)底部的盘形压电换能器双压电晶片(DSPTB),可以激发流体中的声波(AW)和CFC的本征模。由CFC中的压电换能器引起的AW将悬浮液与微粒向上推动,通过净化积聚在反节点区中的悬浮液,使悬浮液积聚在CFC谐振腔的节点区中。


相关论文以题为“Development of a Piezoelectric Actuator for Separation and Purification of Biological Microparticles”发表在《Actuators》上。


研究人员研发出一款压电制动器,可用于分离和纯化生物微粒!


血浆处理技术以及从中分离生物微粒至关重要,因为人体血浆负责维持正常的血压和血容量,并清除细胞中的化学废物。微流体技术,使用光学,磁力等等逐渐成为具有成本效益的用于微粒分离的一次性工具。在微通道中还有许多与超声频率声学微粒分离技术有关的工作。该领域的最新进展已导致重新设计了声学镊子,该镊子可以分离,富集,建模和捕获复杂溶液中的生物颗粒。这些结果是实现由于声学镊子,其陷阱分立单元。对于微流体或“芯片实验室”系统的使用,已经研究了悬浮微粒处理的可能性。基于“实验室芯片”设备趋势,此类系统的尺寸,试剂消耗和响应时间已减少。实现了微粒的分选。研究人员提出了一种利用行波表面声波(AWs)分离微通道中运动的液滴的有效方法。他们研究了微流体体积的不同自由表面模式中的粒子和细胞团簇,并提出了二维的微粒分离技术,这是由基于斯托克斯阻力和声辐射的简单实验装置产生的。


微粒的分离在现代生物医学技术中很重要。基于离心沉降或磁性,血浆置换或透析现象的当前可用的红细胞分离技术需要昂贵的医疗设备,并且涉及与所需颗粒量有关的限制。离心沉降装置由不同的部分和高速转子组成,其中,例如,在具有最大样本量的转子中,当以1000 rpm进行红细胞沉降时,最大离心力为112 g。半径等于10厘米。基于惯性的微流体分离被认为是分离悬浮液的有趣替代方法。结果,选择了三个概念:流体撇除,即微滤和受控的颗粒迁移行为;螺旋惯性微通道分离,其中颗粒快速迁移到平衡位置;确定性棘轮和稀疏棘轮,它们使用几何相互作用来诱导粒子迁移。


数值模拟


研究人员研究了物理学的两个领域。其中一个是可变形结构的容器,另一个是带有填充容器的微粒的声激活生理流体悬浮液。有限元公式化是这两个物理领域的结合。这意味着结构力学和声学之间存在相互作用。由于容器振动的机械激发,在生理流体中致动了压力的声场,因此,激活了微粒的动力学。可以将微粒上的声辐射力F rad计算为作用在不粘流体中固定微粒的固定表面Ω上的平均二级力,从而使微粒包裹。对于无粘性流体,矢量F拉德可以表示为二阶非线性声压场<总和p2 >和动量通量张量ρ0 。


实验验证


研究人员开发了用于分离/纯化生物悬浮液中微粒的实验装置(图1)。当控制阀在容器1中打开时(如图1所示),具有微粒流的连续悬浮液通过可调入口阀2进入声分离器的腔室。声分离器由附着在容器底部的CFC 3和DSPTB 4组成,在AW的声波作用下,CFC体积中带有微粒漂移的悬浮液和富含微粒的悬浮液积聚在容器的节点区域中。 CFC壁,在本征频率上共振。然后,富含微粒的悬浮液穿过共振CFC中的孔,并从结区通过出口阀7流向容器5。从生物悬浮液的微粒相中纯化出的CFC的抗结区通过出口阀8发生共振。流体流到容器6。不同的悬浮相的转移是通过层流进入单独的容器来完成的,而不会在经过声学处理的悬浮液中产生流动。阀门9允许空气逸出。


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图1. 微粒分离装置的照片(a)和实验装置的水电方案(b):1-生物悬浮液中微粒的容器;2—可调进水阀;3 – CFC(Ø41×Ø45×72 mm)的隔音板;4—声分离器的DSPTB;五相悬浮液中富含微粒;6-悬浮液的纯化阶段;7-富含微粒的悬浮液相的出口阀;8-悬浮液净化阶段的出口阀;9—排气阀;10-盘形压电换能器双压电晶片的控制器。


将AW集成到声流设备中对颗粒分离具有积极影响,尤其是在生物医学应用中。微粒与悬浮液的分离取决于微粒的大小,密度和可压缩性。相对于离心沉淀或在微通道中分离,这种分离工艺技术具有许多优点,例如便携性,低成本,小尺寸和快速定时,这确保了试剂的减少,使用简单和精确控制。由于使用了DSPTB,激发的连续AW场形成了带有微粒的悬浮液流以及带有悬浮液的CFC的机械振动,这引起了CFC壁振动的共振模式。取决于激发频率,共振本征模式的特征是沿着容器壁一定距离的节点和反节点区域。当用微粒体积分析AW对悬浮液的影响时,研究人员注意到微粒聚集在该体积的某些区域中,其中CFC本征模式节点的区域沉降下来。由于悬浮液流量的压力在CFC的节点区域最小化,而在反节点区域最大,因此富含微粒的悬浮液会在低压或节点区域沉淀,从微粒中纯化的悬浮液会在高压或低压区域沉淀。防结区。在此周期性压力振荡中产生的力用于分离微粒和细胞。由于悬浮液流量的压力在CFC的节点区域最小化,而在反节点区域最大,因此富含微粒的悬浮液会在低压或节点区域沉淀,从微粒中纯化的悬浮液会在高压或低压区域沉淀。防结区。在此周期性压力振荡中产生的力用于分离微粒和细胞。由于悬浮液流量的压力在CFC的节点区域最小化,而在反节点区域最大,因此富含微粒的悬浮液会在低压或节点区域沉淀,从微粒中纯化的悬浮液会在高压或低压区域沉淀。防结区。在此周期性压力振荡中产生的力用于分离微粒和细胞。


仿真结果


因为DSPTB安装在CFC的底部,所以它传播了声液压并激发了CFC的振动。如在所示图2一个,机械振动激活一个可变形的塑料CFC,触发声压的相应字段中。沿着CFC的纵轴在f 0 = 13.8 kHz的频率下,形成了五个节点区,这表明CFC在第四本征模上共振。在AW领域中的微粒分离过程中,它们传播到低声压级区域。该物理现象已应用于微粒的分离。


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图2. 圆锥形液体容器在第四本征模和声压级(dB)(a)和(b)在时间t = 0 s在f 0 = 13.8 kHz磁盘的激励下在截面(xz平面)中的共振形压电换能器-双压电晶片。


在初始时间t = 0 s时,悬浮微粒均匀分布在CFC体积中。如图2b所示,声压场水平在CFC体积中的分布如下:低压水平的三个上部区域垂直于沿纵轴的流体流动,而下部两个区域不是。在t = 12 s时,粒子在声压场中的位置及其轨迹在图3a中提供。微粒“附着”在本征模态节点区域的CFC壁的内表面。


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图3. CFC在第四本征模上谐振,并且声压级(dB),场截面(yz平面)和在时间t = 12 s处的微粒位置及其在轴向平面(a)和横截面平面中的运动轨迹(b)在f 0 = DSPTB的激励频率为13.8 kHz时。


由于声学效应,微粒运动在波腹附近垂直,在波腹水平,并且在波腹之间倾斜。图3b示出了从圆锥形流体容器的顶部观察到的横截面中的微粒轨迹。


实验结果


为了使实验结果与模拟结果一致,将沸石微粒(由Sigma-Aldrich,3050 Spruce street,Saint Louis,MO 63103,USA,微粒尺寸为0.5–15 µm)混合在人工血浆中( 90%的水和10%的甘油)的粘度为1.3–1.7 mPa s,与血浆粘度一致。活性成分沸石被微粉化为红细胞大小。这意味着沸石颗粒是如此之细,以至于它们实际上可以在孔之间通过。之所以选择沸石,是因为由于血液中红细胞特性的快速变化,血液实验将变得复杂。处理血样的标准指南指出,血块形成完成后应尽快(20-30分钟)从细胞中分离血浆或血清,以避免血块引起分析液血清浓度的变化由凝结引起。在发现体外血液后几分钟内,就会发生红细胞的凝集。为了评估悬浮液中微粒的分离过程并确定DSPTB和CFC主体的本征模式,开发了使用Polytec 3D扫描振动仪(Type PSV-500-3D-HV,Polytec GmbH,Waldbronn,Germany)的实验装置(在发现体外血液后几分钟内,就会发生红细胞的凝集。为了评估悬浮液中微粒的分离过程并确定DSPTB和CFC主体的本征模式,开发了使用Polytec 3D扫描振动仪(Type PSV-500-3D-HV,Polytec GmbH,Waldbronn,Germany)的实验装置(在发现体外血液后几分钟内,就会发生红细胞的凝集。为了评估悬浮液中微粒的分离过程并确定DSPTB和CFC主体的本征模式,开发了使用Polytec 3D扫描振动仪(Type PSV-500-3D-HV,Polytec GmbH,Waldbronn,Germany)的实验装置(图4)。


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图4. 实验设置:1-实验对象CFC;2-线性放大器P200(瑞典Partille的FLC Electronics AB);3D-3D扫描振动仪PSV-500-3D-HV(Polytec GmbH,德国瓦尔德布隆)。


结论


研究人员提出了一种分离悬浮液中生物微粒的直接方法。使用COMSOL Multiphysics软件建立了一个有限元模型,用声波在DSPTB激励下的塑料锥形液体容器中模拟声波过程。使用3D扫描技术进行的实验流体流动研究已经验证了数学模型,发现建模的13.8 kHz第四本征模式频率与实验测量的13.5 kHz第四本征模式频率之间的差异不到2%。对于给定的悬浮液体积,在节点区域以及谐振圆锥形流体容器内表面上的反节点区域中的净化流体中,会发生微粒浓度(超过10-12 s)的情况。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-0825/9/3/61/htm



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