研究人員發(fā)現(xiàn)了一種在微流體通道中對粒子進行分選的新標準，為疾病診斷和液體活檢的進步鋪平了道路。大阪大學、關西大學和岡山大學的聯(lián)合團隊利用超級計算機“富岳”（Fugaku）發(fā)現(xiàn)，與剛性粒子相比，生物細胞等軟粒子表現(xiàn)出獨特的聚焦模式。

該成果發(fā)表在《流體力學雜志》上，為利用細胞和粒子變形性的下一代微流體設備鋪平了道路，有望實現(xiàn)高效的細胞分選以及早期癌癥檢測等生物醫(yī)學應用。

微流體技術涉及在微觀尺度上操縱流體?？刂莆⑼ǖ纼?nèi)的粒子運動對于細胞分選和診斷至關重要，有望實現(xiàn)早期癌癥的檢測和治療。先前的研究主要集中在通常聚集在通道壁附近的剛性粒子上，而可變形粒子的行為在很大程度上仍未被探索。

本研究旨在了解粒子變形性如何影響其聚焦模式。研究人員使用了專門設計的水凝膠粒子，模擬細胞的大小和柔軟度。

結合實驗、模擬和理論模型，研究團隊揭示了聚焦行為的明顯差異。剛性顆粒會向通道壁附近的特定點遷移，而軟顆粒則會聚焦在通道中心或沿對角線，具體取決于流動條件。

利用“富岳”的計算能力，他們模擬了由雷諾數(shù)（慣性）和毛細管數(shù)（變形性）定義的各種流態(tài)下的粒子行為。這些模擬揭示了聚焦模式中的“相變”，該相變由這兩個數(shù)的比率——拉普拉斯數(shù)——控制。一個新的理論模型解釋了這種轉變，為理解其背后的物理原理提供了基礎性的見解。

這項研究將粒子變形性作為關鍵設計參數(shù)，開創(chuàng)了下一代微流體技術，將微流體通道設計從經(jīng)驗方法轉向科學方法。

新的理論模型通過將非線性問題分解為慣性和變形性的線性分量，大大簡化了設計。

這種對細胞分選的增強控制有望帶來重大的生物醫(yī)學進步，包括通過根據(jù)癌細胞與健康細胞相比的獨特變形性快速識別癌細胞來改善早期癌癥檢測，以及通過評估細胞硬度的變化來監(jiān)測治療效果。

該研究的主要作者 Yuma Hirohata 肯定地說：“我們致力于進一步開發(fā)這項技術，以充分發(fā)揮其在醫(yī)療保健和生物技術領域的潛力。”

更多信息： Yuma Hirohata 等人，方形通道流中懸浮水凝膠顆粒慣性遷移的實驗與數(shù)值研究，《流體力學雜志》（2025 年）。DOI ：10.1017/jfm.2025.10574

期刊信息： 流體力學雜志