Моделирование распределения кислорода в микрофлюидном реакторе при культивировании стволовых клеток
Автор: Рылькова А.Ю., Гусева Е.В., Сафаров Р.Р., Меньшутина Н.В.
Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet
Рубрика: Пищевая биотехнология
Статья в выпуске: 1 (99) т.86, 2024 года.
Бесплатный доступ
Микрофлюидные технологии, получившие название «lab on a chip», основаны на работе с небольшим количеством потока жидкости, порядков микро- и нанолитра. Это определяет преимущества их применения по сравнению с объёмными устройствами, а именно возможность в разы снизить расходы реагентов, добиться более точных результатов исследования и безопаснее проводить эксперименты. Математическое моделирование, представляющее собой процесс исследования объекта по его модели, которая является неким аналогом и заменяет объект в ходе исследования, позволяет точно описать процесс и подобрать условия его проведения. Вычислительная гидродинамика (CFD) включает в себя численные методы решения систем уравнений с начальными и граничными условиями (или краевых задач), которые описывают гидродинамические и массообменные процессы и которые в силу своей сложности, как правило, не позволяют получить решение аналитически. Возможность использования данных численных методов представлена в коммерческом пакете программ ANSYS Fluent. С помощью данного программного пакета было проведено математическое моделирование двухканального микрофлюидного элемента, который был использован для культивирования мезенхимальных стволовых клеток, поскольку это одна из актуальных задач биотехнологии в настоящее время. В данной работе были изучены процесс транспорта питательного вещества к клеткам через пористую мембрану, а также поведение потоков питательной среды в каналах устройства. Приведено математическое описание транспорта кислорода в виде систем уравнений с начальными и граничными условиями, которые учитывают проницаемость кислорода через мембрану и кинетику его потребления клетками. Также были выведены уравнения, описывающие динамику потока жидкости, движущегося в каналах микрофлюидного устройства и проходящего через мембрану. Приведены результаты 15 вариантов моделирования гидродинамического режима устройства. Разработанная модель позволяет подбирать оптимальный диапазон рабочих параметров для культивирования различных типов клеток.
Математическое моделирование, ansys fluent, микрофлюидный элемент, культивирование, гидродинамика, мембрана
Короткий адрес: https://sciup.org/140305681
IDR: 140305681 | УДК: 004.942 | DOI: 10.20914/2310-1202-2024-1-46-55
Modeling of the oxygen distribution in a microfluidic reactor during stem cell cultivation
Microfluidic technologies, called "lab on a chip", are based on working with a small amount of liquid flow, on the order of micro- and nanoliters. This determines the advantages of their use in comparison with volumetric devices, namely, the ability to significantly reduce the cost of reagents, achieve more accurate research results, and make experiments safer. The mathematical modeling, that is a process of researching an object according to its model which is a kind of analogue and replaces it during the research, allows you to accurately describe the process and select the its conditions. Computational fluid dynamics (CFD) includes the numerical methods for solving systems of equations with initial and boundary conditions (or boundary value problems) that describe hydrodynamic and mass transfer processes and that usually do not allow you to get a solution analytically because of their complexity. The possibility of using these numerical methods is presented in the ANSYS Fluent commercial software package. Using this software package the mathematical modeling of a two-channel microfluidic element was carried out, which was used for the cultivation of mesenchymal stem cells, because it is one of the actual problem of biotechnology now. In this work, the process of transport of nutrient to cells through a porous membrane was studied, as well as the behavior of the flows of the nutrient medium in the channels of the device. A mathematical description of transport of oxygen in the form of systems of equations with initial and boundary conditions that consider the permeability of oxygen with the walls of the channels, the transfer of substance through the membrane and the kinetics of its consumption by cells is given. The equations were also derived that describe the dynamics of the fluid flow moving in the channels of the microfluidic device and passing through the membrane. The results of 15 options for modeling the hydrodynamic regime of the device are presented. The developed model makes it possible to select the optimal range of operating parameters for culturing various types of cells.
Список литературы Моделирование распределения кислорода в микрофлюидном реакторе при культивировании стволовых клеток
- Burklund A., Tadimety A., Nie Y., Hao N. et al. Advances in diagnostic microfluidics // Advances in clinical chemistry. 2020. V. 95. P. 1–72.
- Cui P., Wang S. Application of microfluidic chip technology in pharmaceutical analysis: A review // Journal of pharmaceutical analysis. 2019. V. 9. №. 4. P. 238–247.
- Campana O., Wlodkowic D. The undiscovered country: Ecotoxicology meets microfluidics // Sensors and Actuators B: Chemical. 2018. V. 257. P. 692–704.
- Li M.S., Wong H.L., Ip Y.L., Peng Z. et al. Current and Future Perspectives on Microfluidic Tear Analytic Devices // ACS sensors. 2022. V. 7. №. 5. P. 1300–1314.
- Liu Y., Yang G., Hui Y., Ranaweera S. et al. Microfluidic nanoparticles for drug delivery // Small. 2022. V. 18. №. 36. P. 2106580.
- Pattanayak P. Singh S.K., Gulati M., Vishwas S. et al. Microfluidic chips: recent advances, critical strategies in design, applications and future perspectives // Microfluidics and nanofluidics. 2021. V. 25. P. 1–28.
- Narayanamurthy V. Jeroish Z.E., Bhuvaneshwari K.S., Bayat P. et al. Advances in passively driven microfluidics and lab-on-chip devices: A comprehensive literature review and patent analysis // RSC advances. 2020. V. 10. №. 20. P. 11652–11680.
- Nielsen J.B., Hanson R.L., Almughamsi H.M., Pang C. et al. Microfluidics: innovations in materials and their fabrication and functionalization // Analytical chemistry. 2019. V. 92. №. 1. P. 150–168.
- Tang T., Yuan Y., Yalikun Y., Hosokawa Y. et al. Glass based micro total analysis systems: Materials, fabrication methods, and applications // Sensors and Actuators B: Chemical. 2021. V. 339. P. 129859.
- Raj P.M., Barbe L., Andersson M., Moreira M.D.A. et al. Fabrication and characterisation of a silicon-borosilicate glass microfluidic device for synchrotron-based hard X-ray spectroscopy studies // RSC advances. 2021. V. 11. №. 47. P. 29859–29869.
- Zhang Z., Pan J., Tang Y., Xu Y. et al. Optical micro/nanofibre embedded soft film enables multifunctional flow sensing in microfluidic chips // Lab on a Chip. 2020. V. 20. №. 14. P. 2572–2579.
- Guo M., Lu Y., Gan H. Experimental study on micro-grinding and flow characteristics of quartz glass with micro-channel // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2021. V. 2044. №. 1. P. 012135.
- Scott S.M., Ali Z. Fabrication methods for microfluidic devices: An overview // Micromachines. 2021. V. 12. №. 3. P. 319.
- Reyes D.R., van Heeren H., Guha S., Herbertson L. et al. Accelerating innovation and commercialization through standardization of microfluidic-based medical devices // Lab on a Chip. 2021. V. 21. №. 1. P. 9–21.
- Ma X., Li R., Jin Z., Fan Y. et al. Injection molding and characterization of PMMA-based microfluidic devices // Microsystem Technologies. 2020. V. 26. P. 1317–1324.
- Agha A., Waheed W., Alamoodi N., Mathew B. et al. A review of cyclic olefin copolymer applications in microfluidics and microdevices // Macromolecular Materials and Engineering. 2022. V. 307. №. 8. P. 2200053.
- Raj M K., Chakraborty S. PDMS microfluidics: A mini review // Journal of Applied Polymer Science. 2020. V. 137. №. 27. P. 48958.
- Costa Junior J.M., Naveira-Cotta C.P., de Moraes D.B., Inforcatti Neto et al. Innovative metallic microfluidic device for intensified biodiesel production // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2019. V. 59. №. 1. P. 389–398.
- Кафаров В.В., Винаров А.Ю, Гордеев Л.С. Моделирование биохимических реакторов: монография / М.: Лесная промышленность, 1979. 344 C.
- Bhatti M.M., Marin M., Zeeshan A., Abdelsalam S.I. Recent trends in computational fluid dynamics // Frontiers in Physics. 2020. V. 8. P. 593111.
- Einarsrud K.E., Loomba V., Olsen J.E. Applied Computational Fluid Dynamics (CFD) // Processes. 2023. V. 11. №. 2. P. 461.
- Inamdar N.K., Griffith L.G., Borenstein J.T. Transport and shear in a microfluidic membrane bilayer device for cell culture // Biomicrofluidics. 2011. V. 5. №. 2. P. 022213.
- Wang F., Tarkkonen K., Nieminen Pihala V., Nagano K. et al. Mesenchymal cell derived Juxtacrine Wnt1 signaling regulates osteoblast activity and osteoclast differentiation // Journal of Bone and Mineral Research. 2019. V. 34. №. 6. P. 1129–1142.
