用于细胞生物学研究的Y型微流控剪切装置：剪切流对生化信号传输的影响

发布时间：2017-08-02 08:20

  本文关键词：用于细胞生物学研究的Y型微流控剪切装置：剪切流对生化信号传输的影响

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【摘要】：细胞微环境中除了微流体流动引起的动态变化的剪应力外,还包含多种浓度随时间变化的生化因子,即动态生化信号,这些动态生物力学和生化信号对细胞功能和细胞行为起重要的调控作用。近年来,微流控芯片技术成为离体构建细胞微环境用以研究细胞与微环境相互作用的重要实验技术平台。但现有的大多数研究将细胞暴露于恒定浓度的生化环境中,仅能为细胞加载单一的生物力学或生化信号,并且忽略了微通道传输特性对动态生化信号传输的影响,导致无法实现对离体细胞生物力学或生化动态微环境的精确控制。 基于流体力学和微流控芯片技术,本文设计了一种流量法控制两种动态生化信号快速切换刺激的Y型微流控剪切装置。该装置能对离体培养的细胞精确加载剪应力和不同动态生化信号的组合切换刺激用于细胞生物学分析。将Y型微流控剪切装置的混合通道看作信号传输系统,考虑微通道内定常流和单向振荡流流速分布、Taylor-Aris弥散、分子横向扩散、通道尺寸等因素的影响,系统分析了混合微通道的传输特性和动态生化信号在混合微通道内的传输规律。 在定常流情况下,利用分离变量法求解混合微通道内动态生化信号传输的Taylor-Aris弥散控制方程,得到了混合微通道信号系统传递函数和截止频率的解析表达式。数值计算结果表明混合微通道信号系统具有低通滤波特性,其截止频率是由微通道高度H、流体动力粘度μ、分子扩散系数D、传输距离z和剪应力τw决定的函数。 在单向振荡流情况下,用数值仿真方法分析了振荡流频率、振荡流幅度、平均流量和传输距离对微通道内动态生化信号传输的影响。结果表明,振荡流频率接近于生化信号频率时,振荡流对生化信号传输有明显的非线性调制作用；增大振荡幅度将加剧生化信号的非线性失真程度。摄动分析结果表明,振荡流与动态生化信号的非线性相互作用是导致振荡流与定常流中生化信号传输产生差异的根本原因。 本文工作有助于理解动态生化信号在动态微环境中的传输规律,同时也为运用微流控芯片技术离体构建动态的细胞微环境时相关微通道传输系统的优化提供了一定的理论依据。
【关键词】：动态生化信号 Y型微流控剪切装置 剪切流 传递函数 截止频率
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.04
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 引言9-16
• 1.1 细胞与微环境的相互作用9-11
• 1.2 微流控技术在细胞生物学研究中的应用11-14
• 1.3 本文工作14-15
• 1.4 本章小结15-16
• 2 Y型微流控剪切装置设计16-20
• 2.1 Y型微流控剪切装置构成16-18
• 2.2 基于Y型微流控剪切装置的实验系统搭建18-19
• 2.3 本章小结19-20
• 3 低高宽比Y型微通道中的基本流体力学20-26
• 3.1 流动控制方程20-23
• 3.2 Taylor-Aris弥散23-25
• 3.3 本章小结25-26
• 4 生化信号在微通道内定常流中的传输26-32
• 4.1 混合微通道内两种溶液宽度比控制26-27
• 4.2 传递函数27-28
• 4.3 截止频率28-31
• 4.4 本章小结31-32
• 5 生化信号在微通道内振荡流中的传输32-41
• 5.1 单向振荡流中Taylor-Aris弥散控制方程32-33
• 5.2 数值差分解33-35
• 5.3 摄动解35-40
• 5.4 本章小结40-41
• 6 数值仿真结果41-58
• 6.1 定常流中动态生化信号的传输41-48
• 6.1.1 传递函数41-43
• 6.1.2 截止频率影响因素43-44
• 6.1.3 最大增益幅度影响因素44-45
• 6.1.4 不同生化信号在微通道内传输45-48
• 6.2 振荡流中动态生化信号的传输48-58
• 6.2.1 振荡流频率的影响48-49
• 6.2.2 振荡流幅度的影响49-51
• 6.2.3 振荡流平均流量的影响51-54
• 6.2.4 传输距离的影响54-55
• 6.2.5 摄动分量的影响55-58
• 7 讨论58-62
• 7.1 Y型微流控剪切装置58
• 7.2 横向分子扩散和轴向弥散58-59
• 7.3 低通滤波器59
• 7.4 如何在定常流中对离体细胞加载动态生化信号?59-60
• 7.5 如何在振荡流中对离体细胞加载动态生化信号?60-61
• 7.6 本章小结61-62
• 结论62-63
• 参考文献63-67
• 附录A 摄动解有关公式推导67-69
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况69-70
• 致谢70-71

【参考文献】

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1 徐刚,覃开蓉,柳兆荣;平行平板流动腔脉动流切应力的计算[J];力学季刊;2000年01期

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本文编号：608370