[论文解读] Deformation and dynamics of erythrocytes govern their traversal through microfluidic devices with a deterministic lateral displacement architecture

Wei Chien, Zunmin Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2019

Blood properties and coagulation被引用 4

一句话总结

本研究采用介观流体动力学模拟，探究红细胞（RBC）形变与动态行为如何决定其在具有圆形柱体的确定性侧向位移（DLD）微流控装置中的分选行为。作者识别出红细胞的不同运动模式，如锯齿形运动、翻滚和三叶草形运动，并证明基于剪切弹性性的分选是可行的，但需要精确调节流动条件以匹配细胞的机械特性。

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.

研究动机与目标

• 理解红细胞形变与动力学在确定性侧向位移（DLD）微流控装置中的复杂相互作用。
• 识别在不同流动条件下红细胞的不同动态模式（例如，锯齿形运动、翻滚、履带式运动、三叶草形运动）。
• 将红细胞与微流控柱体的相互作用与有效细胞尺寸及决定动态状态的物理机制联系起来。
• 评估在DLD装置中基于其机械特性（尤其是剪切弹性）分选红细胞的可行性。
• 为优化DLD装置以基于机械表型分选生物细胞提供设计指导。

提出的方法

• 采用介观流体动力学模拟（格子Boltzmann方法）模拟具有圆形柱体的DLD装置中红细胞（RBC）的动力学行为。
• 使用有限差分法求解流体流动的Navier-Stokes方程，并通过浸入边界法将流体动力学与红细胞膜力学相耦合。
• 将红细胞建模为双凹形、具有粘弹性膜和胞浆黏度的剪切弹性细胞，以捕捉其在流体动力学力作用下的形变行为。
• 改变流速和柱体几何形状，以绘制红细胞运动不同动力学状态之间的转变图。
• 构建了在不同流动条件下红细胞行为的模式图，识别出位移、锯齿形运动及中间模式。
• 分析了有效细胞尺寸及物理机制（如膜剪切弹性、胞浆黏度）对分选行为的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 红细胞形变与动态模式（如翻滚、履带式运动、三叶草形运动）如何影响其在DLD微流控装置中的穿行行为？
• RQ2 DLD装置中红细胞的显著动态状态有哪些？它们如何依赖于流速和柱体几何形状？
• RQ3 受形变影响的红细胞有效细胞尺寸如何影响其在DLD装置中的分选行为？
• RQ4 在复杂微流控流动中，哪些物理机制控制红细胞不同动态状态之间的转变？
• RQ5 在多大程度上可以基于剪切弹性在DLD装置中对红细胞进行分选？需要何种流动条件？

主要发现

• 构建了全面的模式图，识别出在不同流动条件下红细胞的显著动态状态，包括位移、锯齿形运动及中间模式。
• 红细胞表现出复杂的动态状态，如翻滚、履带式运动和三叶草形运动，这些状态强烈受膜剪切弹性和流体强度的影响。
• 红细胞的有效细胞尺寸随形变增加而增大，尤其是在高剪切区域，从而改变其在DLD装置中的分选行为。
• 在DLD装置中基于剪切弹性对红细胞进行分选是可行的，但需要精确调节流动条件以匹配目标机械特性。
• 红细胞与柱体之间的相互作用动力学由流体动力学力、膜弹性与胞浆黏度之间的平衡所决定，这些因素共同决定了分选效率。
• 本研究揭示，红细胞群体中的机械异质性可被用于在DLD平台中实现基于尺寸和弹性的分选。