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基于海岸帶分形,、高效混合,、精準(zhǔn)控制脂質(zhì)體制備的壁式微混合器

來源:深圳摩方新材科技有限公司   2024年11月08日 10:44  

脂質(zhì)體作為多種治療劑的載體,在癌癥治療及多模態(tài)成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在優(yōu)勢,,但其傳統(tǒng)制備存在穩(wěn)定性差,、靶向性不足、制備工藝復(fù)雜且重復(fù)性差等問題,。為突破這些限制,,微流體技術(shù)已發(fā)展成為一種高效且成本效益高的脂質(zhì)體合成新途徑。微混合器作為微流控芯片的重要組成部分,,在生物工程,、醫(yī)學(xué)檢測和化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR),、疾病診斷,、核酸測序、藥物輸送和細胞分離等,。與宏觀反應(yīng)系統(tǒng)相比,,微混合器具有快速分析、極低試劑消耗量,、可控液體流動,、高響應(yīng)靈敏度等優(yōu)點。在微混合器中需混合多種流體,,其性能優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)工作效率和結(jié)果準(zhǔn)確性,,因此提高微混合器的混合效率成為當(dāng)前研究熱點之一。

針對以上問題,,魯東大學(xué)陳雪葉教授團隊合作開發(fā)了一種基于海岸帶分形的壁式微混合器,,實現(xiàn)了精準(zhǔn)控制脂質(zhì)體的制備。該研究以微通道側(cè)壁的擋板結(jié)構(gòu)(PWFB)作為混合單元,,并采用交錯的雙側(cè)壁交叉排列(SWF)布局,,極大地提升了混合效率。研究通過數(shù)值模擬和實驗驗證了其高效混合性能,并應(yīng)用于脂質(zhì)體的制備中,,為微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路和方法,。

相關(guān)成果以“A novel micromixer based on coastal fractal for manufacturing controllable size liposome”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《PHYSICS OF FLUIDS》上,魯東大學(xué)機械工程系碩士研究生陳鑫坤為本文的第一作者,,陳雪葉教授為通訊作者,。

通過模擬海岸線的分形結(jié)構(gòu)并將其應(yīng)用于微混合器設(shè)計中,實現(xiàn)了微混合器三維模型的構(gòu)建(圖1),。


圖1. PWFB微混合器的設(shè)計模型,。(a)海帶帶分形原理;(b)PWFB微混合器的三維模型,。



研究團隊通過對微混合器模型進行了嚴格的網(wǎng)格獨立性測試,,以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。團隊通過劃分五種不同的網(wǎng)格數(shù),,在微通道出口處設(shè)置一條三維橫截面線,,研究不同網(wǎng)格數(shù)下橫截面線的速度變化,進行了多次測試和比較,。此外,團隊還研究了不同網(wǎng)格尺寸對混合指數(shù)的影響,,并將該研究模型的數(shù)值結(jié)果與引用的其他研究人員的最相似模型進行了比較,。通過多方面的驗證方法和數(shù)據(jù)對比分析,保證了研究結(jié)果和結(jié)論的科學(xué)性和可信度,,為進一步研究和應(yīng)用提供了可靠的基礎(chǔ)(圖2),。


圖2. 網(wǎng)格劃分。(a)PWFB微混合器的總網(wǎng)格和兩個局部放大視圖,;(b)網(wǎng)格獨立性測試,;(c)在不同網(wǎng)格下的混合效率;(d)本文的研究工作與Zhang等人的工作的比較,。



數(shù)值模擬部分主要研究和分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下PWFB微混合器的混合效率,,通過單目標(biāo)優(yōu)化的方法優(yōu)化PWFB結(jié)構(gòu)來增加樣品流體的接觸面積和接觸時間。通過比較PWFB的不同高度,、不同數(shù)目,、不同布置方式和相鄰兩個分形擋板間不同距離的混合效率結(jié)果。確定了數(shù)目為6,、高度為280μm,、間距為87.5μm、交錯式SWF布局的PWFB是最佳的微混合器(圖3),。


圖3. 四種結(jié)構(gòu)參數(shù)對PWFB微混合器混合效率的影響,。



為了進一步研究影響PWFB微混合器混合性能的可能因素,團隊對引起微混合器快速混合的因素進行了更深入的研究。確定了PWFB結(jié)構(gòu)對增強分子擴散和混沌對流具有重要作用,,顯著提高了微混合器的混合性能,。通過PWFB微混合器的模擬濃度分布和八個代表性截面,研究了在低Re和高Re時,,PWFB微混合器中不同位置的有效混合性能,。從沿微通道方向的濃度曲線分布可以看出,PWFB引起的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象對促進混合效率的提高具有重要意義(圖4),。


圖4. PWFB微混合器的濃度場分析,。



在實驗階段,通過結(jié)合3D打印技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型能力與模塑法高精度成型的特點,,進行PWFB微混合器的制備,。團隊采用摩方精密nanoArch®P150(精度:25μm)3D打印設(shè)備,實現(xiàn)了微通道結(jié)構(gòu)模具的高精度打印,,并結(jié)合翻模技術(shù)制備了PWFB的表面微通道結(jié)構(gòu)(圖5),。


圖5.(a)微混合器制造工藝流程圖;(b)PμSL微尺度3D打印系統(tǒng)及設(shè)備主要部件,;(c)實際混合實驗裝置,;(d)實驗過程中微混合器的放大視圖。



為驗證PWFB微混合器的混合性能,,團隊選取藍色染料和黃色染料作為工作流體開展性能驗證實驗,,以便實現(xiàn)可視化混合效果。觀察隨著雷諾數(shù)的變化,,混合指數(shù)在實驗中的趨勢和數(shù)值模擬所預(yù)測的結(jié)果一致,。

在脂質(zhì)體制備的應(yīng)用實驗中,該研究團隊以脂質(zhì)溶液和緩沖溶液作為工作流體,,實現(xiàn)了微流控空白脂質(zhì)體(MF-BL)的尺寸可控生產(chǎn),。根據(jù)動態(tài)光散射(DLS)表征顯示,MF-BL具有單峰小尺寸分布,,六組FRR為10的獨立實驗重復(fù)性良好,,獲得了粒徑為 165.12 ± 11.6 nm、多分散性指數(shù)(PDI)為0.35±的MF-BL,。研究結(jié)果充分證明了該制備方法的穩(wěn)定性和可靠性(圖6),。



圖6. (a)當(dāng)入口通道的流速為14.76µL/min(Re=1)時,在微通道中混合單元位置的模擬和實驗結(jié)果的比較,。(b)不同Re下的數(shù)值模擬和實驗結(jié)果比較,。(c)不同Re下PWFB混合器與簡單T形微混合器及Lv等人提出的混合器的混合性能比較。(d)FRR為10的6個批次中脂質(zhì)體的均徑,。(e)FRR為10的脂質(zhì)體尺寸分布(f)FRR為10的6個批次中脂質(zhì)體的PDI,。

總結(jié):

本研究創(chuàng)新性地提出了一種基于海岸分形的壁式微混合器,,該混合器展現(xiàn)出極為優(yōu)異的混合性能。通過數(shù)值模擬與實驗研究,,確定了其最佳結(jié)構(gòu)配置,,并成功應(yīng)用于脂質(zhì)體的制備。這一成果為微流控技術(shù)在脂質(zhì)體制備以及其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,,提供了至關(guān)重要的參考和依據(jù),。未來,研究團隊將持續(xù)致力于進一步拓展微混合器在納米醫(yī)學(xué)載體等領(lǐng)域的應(yīng)用,,有望為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展帶來全新的突破,。


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