基于Comsol Multiphysics的微沟道式细胞分选仪研究

郑陈+张仁杰

摘 要：细胞分选仪可以分析患者的病情，准确而快速的分析能够使患者得到及时治疗。目前常用的细胞分选仪以流式细胞分选仪为主。随着医学界对细胞筛选、分离等能力要求的不断提高，其对细胞分选仪的精确度和运行速度提出了较高要求，并向小型化、集成化方向发展。因此，微沟道式细胞分选仪的理论研究备受瞩目。微沟道式细胞分選仪在提取细胞的基础上，把细胞按照需要筛选到不同试管内，以方便进一步分析与鉴定；通过Comsol Multiphysics软件的仿真环境，对微沟道式细胞分选仪的分选过程作必要的理论分析，并对细胞分选过程作模拟和定性分析。

关键词：细胞分选；细胞筛选；小型化；微沟道；Comsol Multiphysics

DOIDOI：10.11907/rjdk.172236

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）002-0128-03

0 引言

目前细胞分选仪主要向小型化、集成化、模块化发展，具体来说就是性能变得更加可靠，机身小巧，方便运输。尤其在机器运行操作方面有了很大改进，主要向简化操作、易于控制等方面发展。即使是初学者，也可以在很短时间内掌握操作方法，从而大大提高可操作性，为医院节约成本作出了巨大的贡献。在系统信息采集方面，由于传感器等电子行业的快速发展，系统采集信息的能力大幅提高，同时整体的灵敏度和分辨率提升[1]。机器从装配、控制、信息采集、获取到分析的过程都可以轻松掌控。

总的来说，细胞分选仪主要包含3个模块：流体控制、光学检测和分选模块。作为用于临床诊断和生物医学研究的重要设备，流式细胞仪在医学界不可或缺。在血液细胞计数、荧光蛋白的筛选等领域有着重要的应用。从本质上说，当细胞流过毛细管时，细胞被控制一个接一个通过导管，此时流式细胞仪通过对细胞散射和发出的荧光识别不同标记的细胞，经常选择模块进入不同试管中（见图1）。

具体来说，流体控制系统就是当悬浮液细胞进入导管单元时，细胞以近似匀速的速度一个接着一个流过流动室。流动室是流体控制系统的核心部分，是由样品管、鞘液管和喷孔等3个部分组成，流动室通常是由光学玻璃或石英等透明且稳定的材料精密制成[2]。而样品管的主要作用是存储细胞样品，细胞悬液在流室内的压力作用下进入样品管，经鞘液管向喷孔流去。因为要控制流体的流动速度，以方便准确测量，所以在通常情况下，悬浮液流速需要控制在适当的范围内。经过多年努力，人们已经能够快速、 准确处理细胞样本，而规模、复杂性和成本也在优化与减少，使得流式细胞仪变得越来越成熟。

由于技术的不够成熟，目前细胞分选仪设备比较大，因此，随着科技的进步，科学家们把目光投向了微电子行业，进一步实现元器件集成化、小型化。从而使流式细胞仪在分析速度上可以达到每秒检测5 000～10 000个细胞，且能区分仅有5%差别的细胞。多参数的检测与可调，从而使得流式细胞分选技术能应用到更多的临床实践中。而微沟道式细胞分选仪的另一个重要组成部分即为光学检测系统，光学检测系统是由一个或多个激光器的不同波长探测器、高灵敏度的光电倍增管（PMT）与非常复杂昂贵的光学器件等组成，这些光学器件精度非常高。大多数情况下，光学检测系统通过对细胞的光散射和荧光检测收集信号，经信号处理确定细胞的位置。光学检测系统可以同时多渠道收集细胞，允许多种颜色测定，为用户提供了更具选择性的检测能力[3]。

1 Comsol Multiphysics简介

Comsol Multiphyscis主要用于模拟多个物理场的叠加模拟效果。它提供了诸多完善的物理场，是一款大型的高级数值仿真软件，被应用于各学科的研究及工程计算中，模拟科学、工程领域的各个物理过程。

Comsol Multiphysics最初起源于MATLAB的一个工具箱（Toolbox），后改名为Femlab1.0，这个名称一直延续到Femlab3.1版。从3.2版本开始，正式更名为Comsol Multiphysics，一直更新到目前常用的4.4版本。本文所用的版本正是4.4版。Comsol Multiphysics软件可以仿真零维，一维、一维轴对称，二维、二维轴对称，三维。Comsol Multiphysics软件发展至今，已经具备了许多常用的专业模块：AC/DC模块（AC/DC Module）、热传模块（Heat Transfer Module）、化学反应工程模块（Chemical Reaction Engineering Module）、结构力学模块（Structural Mechanics Module）、微流模块（Microfluidics Module）、多孔介质流模块（Subsurface Flow Module）、声学模块（Acoustics Module）、管道流模块（Pipe Flow Module）、材料库（Material Library）等。

2 模型创建

在建立之前要在脑海中大致有个轮廓，由于微沟道式细胞分选仪在理论上应该是2～3个分选通道、一个主通道，称为inlet1，用来释放需要筛选的细胞[4]；在主通道的旁边有一个与之垂直的分通道，此通道是可控的压力通道，称为inlet2。Inlet2通道的主要作用是用来改变下落细胞的轨迹，从而使得细胞按照预设想进入需要收集的试管中，因此，在主通道的下方有3个分通道，从左往右分别为outlet1、outlet2、outlet3。具体操作：绘图区域Graphics，所要绘制图形是一个倒树状图，要预设好各个通道的相关参数，将主通道（inlet1）的高度设置为200um，宽度为100um；副通道（inlet2）宽度为80um，高度为40um；3个出口（outlet）的宽度都为30.216 95um，左右两边通道分别倾斜3/4π、π/3。经绘制可以得到图2。endprint

Practical Tracing是Comsol Multiphysics的粒子示踪功能，它可以用来模拟细胞在主通道内的运动情况，并可以根据制作者的要求显示出不同效果。图3是在主通道速度（inlet1）设为0.000 001m3/s、副通道（inlet2）速度为零时粒子的轨迹。

当在副通道加上速度或者压力时（inlet2），粒子的轨道将与所给速度或压力的方向有关，当给inlet2一个很小的速度时，可以观察到粒子在轨道变化。可以根据需要变化不同的物理量来研究粒子在轨道内的下落轨迹[5-7]，研究各物理量之间的关系。

3 模拟结果

在细胞分选时，人为控制细胞从何时开始进入哪个管中，需研究各个量对细胞运行轨迹的影响。首先，当主管道inlet1流速一定时，随着inlet2压力的改变，用流速代替研究粒子在管道中运动的情况。先给粒子一个固定且适当的起始位置以及初速度，得到粒子的运动轨迹如图4。

以（0，0）点为起点，纵坐标设置为inlet2与inlet1的速度之比，横坐标设为粒子相对于中心位置（23.5，0）的偏移量，得到数据如图5所示。

X=33.3和X=66.7分别是粒子左和右管道的分界线。粒子落在左通道，随着通道inlet2的速度不断减小，粒子相对于中心位置的偏移量也在不断减小，且当inlet2有一个很小的增量时，粒子偏移量就会有一个显著的变化。粒子落在中心通道，当粒子位置在（33.3，50）之间时，粒子的位置随着inlet2速度的改变，位移量有较小的变化；在X=50时，inlet2的速度向相反方向增大；当粒子处在（50，66.7）时，inlet2的速度有一个很小的变化，粒子位移量都会有显著的变化。当粒子落在右边的通道时，这种显著变化依然存在。当inlet1的速度大小是inlet2反向速度大小的2倍时，粒子将打到inlet2管壁口。因此inlet2的反方向速度在选取时要精确控制，对于速度之比的分辨率要求非常高。

当粒子位置固定，inlet2与inlet1速度为定值时，改变通道inlet2到分叉口的距离如图6所示。

对图6进行数据采集，把采集到的数据用Excel绘制成横坐标为inlet2到分叉口处的距离，纵坐标为粒子相对于横坐标（23.5，0）偏移量的散点图（见图7）。

从图7可以看出，随着inlet2位置的改变，粒子位移量几乎不变。可以取3个点来说明为什么粒子位移量变化很小，或者几乎不变。首先，取inlet2管道位于最上侧，当粒子从入口inlet1刚进入时，在现实应用中，粒子做的是自由落体运动，而inlet2所提供的速度数量级在1E-10，相对于自由落体获得的速度要远远小得多，粒子会以极快速度通过inlet2的加速区域，因此粒子所获得的横向速度很小，可以说几乎为零。因此粒子的偏移量很小。其次，当inlet2位于中间或者下侧时，由于自由落体，使得粒子自身的速度成指数倍增长。因此，改变inlet2的位置获得粒子位置的改变并不是最理想的方法；移动的inlet2不能保证与主通道之间的密闭性，对于像细胞分选仪这样高精度的仪器来说是不允许的。而且在仪器制造时，生产工艺复杂，成本高。因此，不提倡以这样的方法获得粒子的偏移量。

将inlet1与inlet2速度之比、inlet2的位置都設为定值。改变粒子在中心位置到交叉处的距离，统计数据，以粒子到分叉口处的距离为横坐标，以粒子相对于中心位置偏移量为纵坐标。由Excel绘制散点图如图8所示。

从图8可以看出，当粒子远离分叉口时，粒子的偏移量在不断增加。当粒子远离分叉口120um左右时，粒子的偏移量趋向一个定值[8-9]。

假定细胞在管道中不是以自由落体的形式下落，忽略了细胞或者粒子自身的因素，如粘着度、大小、形状等。在给定粒子一定下落速度的前提下，分别对粒子的位置、副通道口inlet2的位置以及inlet1与inlet2两个通道的速度之比等条件进行了考察。经过试验分析可知，当细胞或者粒子位置一定时，侧通道（inlet2）所给速度的大小将影响细胞或者粒子的分选方向。侧通道（inlet2）所给速度越大，粒子或者细胞就会落入左下方通道，但与此同时，速度不能超过一定的值，否则细胞或者粒子将打到主通道壁上，以至于影响细胞或粒子的收集速度与数量[10]。

此外，要注意左右通道与中间通道的临界点，对于左通道，因为粒子随着侧通道（inlet2）所给速度的增加，粒子的偏移量适中，即分辨率可调性更强，因此，操作时尽量让粒子或细胞落在左通道的中间位置。对于中间通道门，可以让粒子或细胞自由落下，不予以人工干预就可以达到收集目的。对于右边的通道，灵敏度比较小，可调性比较低，很小的速度变化就会使得细胞或粒子有极大的偏移量。通过此次试验，可以看到，在微沟道式细胞分选仪还不是很普及的今天，要想获得精度较高的细胞分选仪，一方面要从细胞的预处理方面下工夫，另一方面要加强对仪器的小型化、集成化研究[11]。一门学科的发展离不开其它学科的支持，尤其是电子、材料、光学等方面的突破，都会为微沟道式细胞分选的进步与发展提供强有力的支持，因此，只有与其它学科相互推进，才能更好地发展。

参考文献：

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[10] 林秉承，秦建华.微流控芯片实验室[M].北京：科学出版社，2006.

[11] 林秉承，秦建华.图解微流控芯片实验室[M].北京：科学出版社，2008.endprint