河北
研究人員發現了新標準，用于在微流體通道中對顆粒進行分類，為疾病診斷和液體活檢的進步鋪平了道路。利用超級計算機“富岳”，來自大阪大學、關西大學和岡山大學的聯合團隊揭示了軟顆粒（如生物細胞）與剛性顆粒相比，展現出獨特的聚焦模式。
這些結果發表在《流體力學雜志》上，為下一代微流體設備的研發鋪平了道路，這些設備利用細胞和顆粒的可變形性，承諾在生物醫學應用中實現高效的細胞分類，特別是在早期癌癥檢測方面。
微流體學涉及在微觀尺度上操控流體的流動。在微通道內控制粒子運動對細胞分選和診斷非常重要，有望實現早期癌癥的檢測和治療。盡管之前的研究主要集中在剛性粒子上，而這些粒子通常會聚焦在通道壁附近，但可變形粒子的行為仍然在很大程度上沒有被深入研究。
本研究的目的是了解粒子可變形性如何影響它們的聚焦模式。研究人員使用了特別設計的水凝膠粒子，來模擬細胞的大小和柔軟度。
通過結合實驗、模擬和理論建模，團隊揭示了聚焦行為之間的明顯差異。剛性顆粒會向通道壁附近的特定點移動，而軟顆粒則會根據流動條件在通道中心或沿對角線聚集。
利用“富岳”的計算能力，他們模擬了在不同流動狀態下的顆粒行為，這些流動狀態是由雷諾數（表示慣性）和毛細數（表示可變形性）來定義的。這些模擬揭示了聚焦模式的“相變”，由這兩個數的比率——拉普拉斯數所決定。一個新的理論模型對此轉變進行了解釋，為基礎物理學提供了重要的見解。
這項研究通過將顆粒的可變形性作為關鍵設計參數，開創了下一代微流控技術，將微流控通道設計從經驗方法轉向科學基礎。
新的理論模型通過將非線性問題拆分為慣性和可變形性的線性部分，大大簡化了設計過程。
這種對細胞分選的增強控制有望帶來重大的生物醫學進展，包括通過快速識別癌細胞與健康細胞在變形性上的差異來改善早期癌癥檢測，并通過評估細胞剛度的變化來監測治療效果。
這項研究的首席作者Yuma Hirohata表示：“我們會繼續努力開發這項技術，充分發揮它在醫療和生物技術中的潛力。”
更多信息： 弘畑裕真等，關于懸浮在方形通道流中的水凝膠顆粒慣性遷移的實驗與數值研究，《流體力學》雜志（2025年）。 DOI: 10.1017/jfm.2025.10574
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