研究人員發(fā)現(xiàn)了一種在微流體通道中對(duì)粒子進(jìn)行分選的新標(biāo)準(zhǔn)，為疾病診斷和液體活檢的進(jìn)步鋪平了道路。大阪大學(xué)、關(guān)西大學(xué)和岡山大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”（Fugaku）發(fā)現(xiàn)，與剛性粒子相比，生物細(xì)胞等軟粒子表現(xiàn)出獨(dú)特的聚焦模式。

該成果發(fā)表在《流體力學(xué)雜志》上，為利用細(xì)胞和粒子變形性的下一代微流體設(shè)備鋪平了道路，有望實(shí)現(xiàn)高效的細(xì)胞分選以及早期癌癥檢測(cè)等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

微流體技術(shù)涉及在微觀尺度上操縱流體。控制微通道內(nèi)的粒子運(yùn)動(dòng)對(duì)于細(xì)胞分選和診斷至關(guān)重要，有望實(shí)現(xiàn)早期癌癥的檢測(cè)和治療。先前的研究主要集中在通常聚集在通道壁附近的剛性粒子上，而可變形粒子的行為在很大程度上仍未被探索。

本研究旨在了解粒子變形性如何影響其聚焦模式。研究人員使用了專門設(shè)計(jì)的水凝膠粒子，模擬細(xì)胞的大小和柔軟度。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)、模擬和理論模型，研究團(tuán)隊(duì)揭示了聚焦行為的明顯差異。剛性顆粒會(huì)向通道壁附近的特定點(diǎn)遷移，而軟顆粒則會(huì)聚焦在通道中心或沿對(duì)角線，具體取決于流動(dòng)條件。

利用“富岳”的計(jì)算能力，他們模擬了由雷諾數(shù)（慣性）和毛細(xì)管數(shù)（變形性）定義的各種流態(tài)下的粒子行為。這些模擬揭示了聚焦模式中的“相變”，該相變由這兩個(gè)數(shù)的比率——拉普拉斯數(shù)——控制。一個(gè)新的理論模型解釋了這種轉(zhuǎn)變，為理解其背后的物理原理提供了基礎(chǔ)性的見解。

這項(xiàng)研究將粒子變形性作為關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，開創(chuàng)了下一代微流體技術(shù)，將微流體通道設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)方法轉(zhuǎn)向科學(xué)方法。

新的理論模型通過(guò)將非線性問題分解為慣性和變形性的線性分量，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

這種對(duì)細(xì)胞分選的增強(qiáng)控制有望帶來(lái)重大的生物醫(yī)學(xué)進(jìn)步，包括通過(guò)根據(jù)癌細(xì)胞與健康細(xì)胞相比的獨(dú)特變形性快速識(shí)別癌細(xì)胞來(lái)改善早期癌癥檢測(cè)，以及通過(guò)評(píng)估細(xì)胞硬度的變化來(lái)監(jiān)測(cè)治療效果。

該研究的主要作者 Yuma Hirohata 肯定地說(shuō)：“我們致力于進(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，以充分發(fā)揮其在醫(yī)療保健和生物技術(shù)領(lǐng)域的潛力。”

更多信息： Yuma Hirohata 等人，方形通道流中懸浮水凝膠顆粒慣性遷移的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究，《流體力學(xué)雜志》（2025 年）。DOI ：10.1017/jfm.2025.10574

期刊信息： 流體力學(xué)雜志