[논문 리뷰] Deformation and dynamics of erythrocytes govern their traversal through microfluidic devices with a deterministic lateral displacement architecture

Wei Chien, Zunmin Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 02.

Blood properties and coagulation인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 원형 기둥을 가진 결정론적 횡방향 이동(DLD) 마이크로유체 장치에서 적혈구의 변형과 동적 거동이 어떻게 정렬되는지를 조사하기 위해 중간 척도 유체역학 시뮬레이션을 사용한다. 저자들은 진동, 뒤집힘, 삼엽형 운동과 같은 구분 가능한 RBC 운동 모드를 규명하고, 점탄성에 기반한 정렬이 가능하다는 것을 입증하지만, 세포의 기계적 성질과 일치시키기 위해 유동 조건을 정밀하게 조정할 필요가 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Deterministic lateral displacement (DLD) microfluidic devices promise versatile and precise processing of biological samples. However, this prospect has been realized so far only for rigid spherical particles and remains limited for biological cells due to the complexity of cell dynamics and deformation in microfluidic flow. We employ mesoscopic hydrodynamics simulations of red blood cells (RBC) in DLD devices with circular posts to better understand the interplay between cell behavior in complex microfluidic flow and sorting capabilities of such devices. We construct a mode diagram of RBC behavior (e.g. displacement, zig-zagging, and intermediate modes) and identify several regimes of RBC dynamics (e.g. tumbling, tank-treading, and trilobe motion). Furthermore, we link the complex interaction dynamics of RBCs with the post to their effective cell size and discuss relevant physical mechanisms governing the dynamic cell states. In conclusion, sorting of RBCs in DLD devices based on their shear elasticity is in general possible, but requires fine-tuning of flow conditions to targeted mechanical properties of the RBCs.

연구 동기 및 목표

• 결정론적 횡방향 이동(DLD) 마이크로유체 장치에서 적혈구의 변형과 동역학 간의 복잡한 상호작용을 이해하기 위해.
• 다양한 유동 조건에서 RBC의 구분 가능한 동적 모드(예: 진동, 뒤집힘, 탱크트레딩, 삼엽형 운동)를 식별하기 위해.
• 마이크로유체 장치의 기둥과의 RBC 상호작용을 효과적인 세포 크기와 동적 상태를 규정하는 물리적 메커니즘과 연결하기 위해.
• 특히 점탄성에 기반하여 DLD 장치에서 RBC를 정렬하는 것이 가능한지 평가하기 위해.
• 생물학적 세포를 기계적 표현형에 따라 정렬하기 위한 DLD 장치 최적화를 위한 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 원형 기둥을 가진 DLD 장치에서 RBC의 동역학을 모델링하기 위해 중간 척도 유체역학 시뮬레이션(Lattice Boltzmann 방법)을 사용하였다.
• 유체 유동의 나비에-스토크스 방정식을 유한차분 방법으로 풀었으며, 익힌 경계 방법을 통해 RBC의 막 기계학적 성질과 결합하였다.
• RBC를 이중구상형이며 점탄성 막과 점성 세 cytoplasm을 갖는 세포로 모델링하여 유체역학적 힘에 의한 변형을 캡처하였다.
• 유속과 기둥 기하학을 변화시켜 RBC 운동의 다양한 동적 영역 간 전이를 맵핑하였다.
• 유동 조건에 따른 RBC 행동의 모드도를 구축하여 이동, 진동, 중간 모드를 식별하였다.
• 정렬 거동에 영향을 주는 효과적 세포 크기와 물리적 메커니즘(예: 막 점탄성, 세포질 점성도)을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적혈구의 변형과 동적 모드(예: 뒤집힘, 탱크트레딩, 삼엽형 운동)는 DLD 마이크로유체 장치를 통과할 때 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 DLD 장치에서 RBC의 구분 가능한 동적 영역는 무엇이며, 유속과 기둥 기하학에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 변형에 의해 영향을 받는 RBC의 효과적 세포 크기는 DLD 장치에서의 정렬 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 복잡한 마이크로유체 흐름에서 RBC의 다양한 동적 상태 간 전이를 규정하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 RBC는 어느 정도까지 점탄성에 기반하여 DLD 장치에서 정렬될 수 있으며, 이를 위해 필요한 유동 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 다양한 유동 조건에서 RBC의 구분 가능한 동적 영역(이동, 진동, 중간 모드 포함)을 식별한 종합적인 모드도를 구축하였다.
• RBC는 뒤집힘, 탱크트레딩, 삼엽형 운동과 같은 복잡한 동적 상태를 나타내며, 이는 막의 점탄성과 유동 강도에 의해 강하게 영향을 받는다.
• RBC의 효과적 세포 크기는 변형에 따라 증가하며, 특히 고점성 영역에서 이러한 증가가 DLD 장치의 정렬 거동을 변화시킨다.
• DLD 장치에서 점탄성에 기반한 RBC 정렬은 가능하지만, 목표 기계적 성질과 일치시키기 위해 유동 조건을 정밀하게 조정할 필요가 있다.
• RBC와 기둥 간의 상호작용 동역학은 유체역학적 힘, 막 탄성, 세포질 점성도의 균형에 의해 규정되며, 이들이 함께 정렬 효율을 결정한다.
• 이 연구는 RBC 집단의 기계적 이질성을 활용하여 DLD 플랫폼에서 크기 및 탄성 기반 정렬을 실현할 수 있음을 드러냈다.