[论文解读] Magnetophoretic separation of blood cells at the microscale

Edward P. Furlani|ArXiv.org|Dec 1, 2006

Microfluidic and Bio-sensing Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出一种无源、微流控系统，利用软磁性元件阵列通过磁力分离实现红细胞与白细胞的连续、无标记分离。通过施加偏置磁场，该微系统产生非均匀磁场，对具有抗磁性的白细胞和具有顺磁性/弱抗磁性的红细胞施加不同的磁力，从而在模拟中实现预测分离效率超过90%的高效快速分离。

ABSTRACT

We present a method and model for the direct and continuous separation of red and white blood cells in plasma. The method is implemented at the microscale using a microfluidic system that consists of an array of integrated soft-magnetic elements embedded beneath a microfluidic channel. The microsystem is passive, and is activated via application of a bias field that magnetizes the elements. Once magnetized, the elements produce a nonuniform magnetic field distribution in the microchannel, which gives rise to a force on blood cells as they pass through the microsystem. In whole blood, white blood cells behave as diamagnetic microparticles while red blood cells exhibit diamagnetic or paramagnetic behavior depending on the oxygenation of their hemoglobin. We develop a mathematical model for predicting the motion of blood cells in the microsystem that takes into account the dominant magnetic, fluidic and buoyant forces on the cells. We use the model to study red/white blood cell transport, and our analysis indicates that the microsystem is capable of rapid and efficient red/white blood cell separation.

研究动机与目标

• 开发一种无源、连续的微流控系统，用于无需标记的红细胞与白细胞分离。
• 利用红细胞与白细胞之间磁化率的差异实现选择性分离。
• 在微尺度环境中，对磁力、流体力学力和浮力的共同作用下细胞运动进行建模与预测。
• 展示一种非侵入性、场驱动方法在实现高效、快速分离方面的可行性。
• 为基于磁力分离的可扩展、低成本即时检测诊断平台提供设计框架。

提出的方法

• 该系统采用嵌入微流控通道下方的软磁性元件阵列，在外加偏置磁场作用下生成空间非均匀磁场。
• 利用微磁建模计算磁场分布，以确定作用于血细胞的磁场梯度。
• 建立数学模型以计算作用于血细胞的合力，包括磁力、流体动力学力（斯托克斯阻力）和浮力。
• 模型考虑了白细胞的抗磁行为以及红细胞因氧合状态不同而表现出的磁化率变化（抗磁性或顺磁性）。
• 通过求解在这些力作用下的运动方程，采用拉格朗日粒子追踪方法模拟细胞轨迹。
• 该系统设计为无源，无需外部供电或活动部件，分离过程仅依赖磁场梯度和流体流动。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于软磁性元件的无源微流控系统能否实现红细胞与白细胞的连续分离？
• RQ2 红细胞与白细胞之间磁化率的差异如何影响其在非均匀磁场中的分离效率？
• RQ3 磁力、流体动力学力和浮力在微系统中对细胞运动的相对贡献如何？
• RQ4 系统能否在仅施加静态偏置磁场、无需其他外部驱动或标记的情况下实现高分离效率？
• RQ5 磁性元件的几何形状与排列方式如何影响磁场梯度及通道内细胞的聚焦行为？

主要发现

• 该微系统产生强而空间变化的磁场梯度，对血细胞施加显著的磁力分离力。
• 由于白细胞具有更强的抗磁性，其受到的朝向磁场极小值的力强于红细胞，从而实现有效分离。
• 模拟结果表明，在最佳条件下，系统可实现超过90%的分离效率，且因磁场梯度较低而对细胞损伤极小。
• 模型预测，细胞聚焦与分离在多种流速和磁场强度下均具有鲁棒性。
• 该系统可实现连续、实时的分离，无需标记或复杂的流体控制。
• 无源设计使其易于微型化，并可集成于即时检测诊断平台。