Суперкомпьютер открыл новый принцип сортировки клеток в микрофлюидных каналах

Графическая аннотация. Автор: Journal of Fluid Mechanics (2025). DOI: 10.1017/jfm.2025.10574

Исследователи обнаружили новый критерий для сортировки частиц в микрофлюидных каналах, открывающий путь к достижениям в диагностике заболеваний и жидкой биопсии. Совместная команда из Университета Осаки, Университета Кансай и Университета Окаямы с помощью суперкомпьютера «Фугаку» выяснила, что мягкие частицы, такие как биологические клетки, демонстрируют уникальные паттерны фокусировки по сравнению с жёсткими частицами.

Результаты, опубликованные в Journal of Fluid Mechanics, прокладывают путь к созданию микрофлюидных устройств следующего поколения, использующих деформируемость клеток и частиц, что обещает высокоэффективную сортировку клеток с биомедицинскими применениями, такими как раннее обнаружение рака.

Микрофлюидика предполагает манипулирование жидкостями на микроскопическом уровне. Контроль за движением частиц в микроканалах имеет решающее значение для сортировки клеток и диагностики, что, как ожидается, позволит реализовать раннее обнаружение и лечение рака. В то время как предыдущие исследования были сосредоточены на жёстких частицах, которые обычно фокусируются вблизи стенок канала, поведение деформируемых частиц оставалось в значительной степени неисследованным.

Целью этого исследования было понять, как деформируемость частиц влияет на их паттерны фокусировки. Исследователи использовали специально разработанные гидрогелевые частицы, имитирующие размер и мягкость клеток.

Объединив эксперименты, симуляции и теоретическое моделирование, команда выявила разительные различия в поведении при фокусировке. Жёсткие частицы мигрируют к определённым точкам вблизи стенок канала, в то время как мягкие частицы фокусируются в центре канала или вдоль диагоналей, в зависимости от условий потока.

Используя вычислительную мощность «Фугаку», они смоделировали поведение частиц в различных режимах потока, определяемых числом Рейнольдса (инерция) и капиллярным числом (деформируемость). Эти симуляции выявили «фазовый переход» в паттерне фокусировки, управляемый отношением этих двух чисел — числом Лапласа. Новая теоретическая модель объясняет этот переход, предлагая фундаментальное понимание лежащей в основе физики.

Это исследование открывает путь к микрофлюидным технологиям следующего поколения, включая деформируемость частиц в качестве критического параметра проектирования, смещая дизайн микрофлюидных каналов от эмпирического к научно обоснованному подходу.

Новая теоретическая модель значительно упрощает проектирование, разделяя нелинейную задачу на линейные компоненты инерции и деформируемости.

Этот улучшенный контроль над сортировкой клеток обещает значительные биомедицинские достижения, включая улучшенное раннее обнаружение рака за счёт быстрой идентификации раковых клеток на основе их отличной деформируемости по сравнению со здоровыми клетками, а также мониторинг эффективности лечения путём оценки изменений в жёсткости клеток.

«Мы стремимся к дальнейшему развитию этой технологии, чтобы реализовать её полный потенциал в здравоохранении и биотехнологиях», — подтвердил Юма Хирохата, ведущий автор исследования.

Больше информации: Yuma Hirohata et al, Experimental and numerical study on the inertial migration of hydrogel particles suspended in square channel flows, Journal of Fluid Mechanics (2025). DOI: 10.1017/jfm.2025.10574

Источник: University of Osaka