新型微试样黏度检测装置及其在细胞生物学中的应用

发布时间：2018-04-16 11:35

本文选题：黏度 + 黏度测量　；参考：《重庆大学》2016年博士论文

【摘要】：流体黏性的检测在生物医学,化学,材料等领域应用广泛。例如,在医学领域,基础及临床研究显示体液黏性与许多疾病密切相关:心脑血管病患者与正常人相比,血液表观黏度有显著的变化;退行性关节病,风湿性关节炎病引起关节滑膜液的黏性改变等。目前许多研究涉及到各种类型的生物体液,例如小型动物体液获取困难,代价很高,降低黏性检测中的样品消耗尤为重要。另一方面,黏度也可能影响到肿瘤细胞的黏附行为。黏度是微粒分散体系中粒子的沉降速率的决定因素之一,对于多相流体,当微粒的密度大于分散介质的密度,就会发生沉降,根据Stokes定律,黏度越大,沉降速度越小,悬浮液中的粒子越稳定,越不易发生沉降。而肿瘤细胞在血管壁的黏附可以简化成一个粒子在血液中沉降——与管壁接触——黏附的过程,在这一过程中,黏度可能影响到血流中接触到管壁的肿瘤细胞数,因此,黏度对肿瘤细胞黏附行为的影响是值得考察的。此外,由于微流控装置具备微型化、集成化的优势,近年来被广泛应用在生物技术,化学化工等领域。如何在微小的芯片内精确地掌控流体的运动形态是微流控技术的最为基础而重要的一环。而黏度,作为一项基本的流变学参数,对分析流体的运动行为是极为关键的。因此,为了满足微流控实验微量化的样品需求,高效的测量实验所涉及的流体黏度便成为现代黏性测量技术的主要课题之一。然而,现有微试样黏度计的研究面临着一些瓶颈:(1)由于尺度的缩小,末端效应、表面张力等在宏观尺度下可忽略的效应陡然增大,并导致了显著的误差。这使得现有微试样黏度计的测量准确度普通较低,尤其是在低剪切率的条件下测量低黏度的样品时这一问题尤为突出(误差:5%~24%)。(2)尽管现有的微试样黏度计芯片本身样品容积量很小,但为了驱动流体进行检测,需要连接容积量很大的泵和导管,因此总的样品消耗量仍然居高不下。(3)同样由于尺度的缩小,通道的表面粗糙度过大会给流动造成明显的扰动导致宏观流体力学的失效。因此,微试样黏度计的制作需要严格控制通道的表面粗糙度,要求更为严格的制作工艺,这使得系统搭建及制作成本很高。(4)由于芯片体积小样品少,热容量小,对环境温度变化特别敏感,这对测量环境的温度控制提出了更严格的要求。而现有的微试样黏度计未能很好地解决这一问题。基于上述原因,现有的微试样黏度计一直未能得到商业化的运用。因此,提供更加精确、稳定、微试样的黏性测量方法,为科研工作者提供可靠的流体黏度数据,是论文所需完成的主要目标。本文提出了一种高效、精确、微试样低成本的微流控黏性检测芯片(后简称为芯片黏度计),可以用于生物类流体的黏度测量。在对末端效应、表面张力、动能修正项等引入的误差进行评估后,研究者对芯片的构型及尺寸进行了优化:通道的两端加入了一对匹配的光滑圆管,几乎完全避免了表面张力的影响。芯片的尺寸通过误差分析决定,优化后的芯片误差被严格控制在0.5%以下,且每次测量消耗量仅为200μl。本文采用自制的配套模具,结合抽丝法,能够轻易地在芯片内部形成表面光滑的圆管,适应了通道表面粗糙度需要严格控制的加工需求。为了保证测量环境的温度恒定,本文为芯片黏度计设计了一套专门的测量平台。测试时,芯片置于特制的恒温水浴槽中,样本流体加载于芯片的上游储液池中,被外部压力控制装置驱动,样品通过主通道后流入到下游储液池中。测试流体在黏度测量芯片内的流动状态通过CCD对储液池的液面流动情况进行记录,并利用一段图像处理程序对视频进行处理。通过程序自动提取运动轨迹信息、自动输出黏度值,不但使操作更简单,又减少了人为因素引入的误差,使测量结果具有良好的复现性。相较于其他微试样黏度计,本文研制的芯片黏度计结果更加准确:通过将本文所研制的芯片黏度计与美国国家标准局(NIST)公布的参考值,传统毛细管黏度计,传统旋转黏度计进行横向比对,可以看出芯片黏度计的测量结果与标准值、传统乌氏黏度计测量值三者吻合良好,相对误差小于2%。本文还根据国际标准化组织以及国际电工委员会(ISO/IEC)发布的《测量不确定度评估指南》对芯片黏度计进行完整的不确定度评估,计算其扩展相对不确定度U95=2.2%,较主流的微试样黏度芯片准确度提高了2倍以上。在芯片黏度计制作完成后,本论文为了考察黏度与肿瘤细胞黏附行为的关系,本文还设计构建了一个理想化的Hep G2细胞黏附模型,用于模拟肿瘤细胞在人体血管环境里的黏附行为。在此模型中,本文综合考虑了黏度、流场等力学因子对肿瘤细胞黏附行为产生的影响。首先,本文通过有限元分析预测了芯片模型中的流场、紊流分布强度等信息,在此基础上,我们通过三组对比实验考察了黏度、细胞密度以及它们与流场之间的相互作用对芯片底面Hep G2细胞黏附数量产生的影响。研究结果表明,当血管分岔角增大时,紊流强度也增大。流场中紊流的增加能有效的提高芯片底面黏附的Hep G2细胞数量,但黏附细胞的总数受芯片底部管壁容纳极限的影响,因此紊流强度达到一定程度后,黏附细胞数逐渐趋于稳定不再继续增大。增加细胞密度相当于增加细胞与底面接触的几率,也能起到增加底面黏附细胞数的效果,其作用效果在低紊流环境下格外显著。而流体黏度对底面黏附细胞数的影响较为复杂,对于不同紊流环境其效果相差较大,一方面黏度增大了流动阻力,降低了Hep G2细胞的移动速度,增加了Hep G2细胞在底面黏附的可能性;另一方面,黏度的增加降低了Hep G2的沉降速度,更多的Hep G2悬浮在溶液中,不与管壁接触。因此,在黏附能力较弱的低紊流环境下,这两个因素互相抵消,黏附细胞数保持稳定。而在黏附能力较强的高紊流环境里,后者的影响占主要,因此黏度增加,芯片底部的黏附细胞数大幅度降低。实验结果与我们的预期吻合较好。本文所研制的芯片黏度计还具有样品消耗量小,制造简单,成本低廉,操作方便且易于维护的优势。它基于抽丝法构建,与传统的软蚀刻技术相比,不需要依赖各种昂贵设备和器材。仅利用微丝和自制的配套模具,将毛细管,储液池,压力接口全部整合于一块芯片中,一方面大幅度的降低了制造成本,另一方面又避免了各部件的连接和密封不良可能导致的漏液,减少了连接部位产生的压降损失从而降低了误差。由于价格低廉,它可以作为一次性用品以避免芯片之间的样品污染,也可以多次清洗重复使用进一步降低成本。本黏性测量芯片为微试样生物流体的精确测量提供了一种新的途径,可以在生物医学、化学化工等领域代替乌氏黏度计执行其无法完成的黏性测量,为芯片内流动分析、力学模拟及流动控制等提供精确可靠的流动参数,在生物医学、化学化工、材料等领域具有广阔的应用前景。
[Abstract]:In order to meet the needs of microflow control , it is very important to study the viscosity of fluid . ( 2 ) Although the sample volume is very small in the existing micro - sample viscometer chip , it is necessary to connect the pump and the conduit with a large volume , so that the total sample consumption is still high . ( 3 ) Due to the shrinking of the scale , the surface roughness of the channel leads to the failure of the macroscopic fluid mechanics . Therefore , the production of the micro - sample viscometer needs to strictly control the surface roughness of the channel , and requires a more rigorous manufacturing process , which makes the system set up and the manufacturing cost is high . This paper presents an efficient , accurate and micro - sample viscosity measurement method , which can be used in the measurement of viscosity of biological fluids . In this paper , the effects of viscosity , flow field and other mechanical factors on the adhesion of the cell to the bottom of the chip are studied . The viscosity measuring chip provides a new way for accurate measurement of the biological fluid of the micro sample , and provides accurate and reliable flow parameters for flow analysis , mechanical simulation and flow control in the field of biological medicine , chemical engineering and the like , and has wide application prospect in the fields of biomedicine , chemical engineering , materials and the like .

【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318

【参考文献】