شبيه سازي انتقال سيال و جرم در تراشه ريزسيالاتي مناسب جهت كشت سه بعدي سلول

Simulation of Fluid and Mass Transfer in a Microfluidic Chips Applicable for 3D Cell Culture

درك سيستم‌هاي بيولوژيكي نياز به اطلاعات گسترده از پارامترهاي فردي دارد و براي بررسي روند تمايز سلولي و رفتار سلول بايد محيط مناسبي با شرايط فيزيولوژيكي بدن انسان ايجاد شود. به اين منظور با علم ريزسيالات مي‌توان ريز محيطي را فراهم كرد تا در مقياس كوچك رفتار سلول را بررسي نمود. در اين مقاله شبيه سازي انتقال جرم و انتقال سيال با نرم افزار كامسول در يك تراشه ريزسيالاتي انجام شده است تا ابعاد هندسي مناسب بدست آيد. معادلات جريان و حركت محلول كلاژن با استفاده ازشرايط اوليه، شرايط مرزي و پارامترهاي مناسب و ماژول دوفازي حل شدند. شبيه سازي انتقال جرم براي ابعاد مختلف از ذوزنقه‌ها انجام شد و شبيه سازي سيالاتي با تغيير در ابعاد ذوزنقه، تغيير فاصله بين آنها و تاثير ويسكوزيته محلول كلاژن بررسي شد. نتايج نشان داد كه در هندسه پيشنهادي، ابعاد مناسب ذوزنقه به ترتيب قاعده كوچك 100، قاعده بزرگ 200، ارتفاع 200، فاصله بين ذوزنقه ها 100 ميكرومتر مي‌باشد و مناسب ترين غلظت محلول كلاژن براي جلوگيري از نشتي 2ميلي گرم بر ميلي ليتر مي باشد. با هندسه مناسب، در مدت زمان مناسب، محيط كشت به كانال هيدروژل نفوذ مي‌كند و محلول كلاژن بدون نشتي در طول كانال حركت مي‌كند.

Understanding biological systems require extensive knowledge of individual parameters. To study the process of cell differentiation and cell behavior, a suitable environment must be created with the physiological conditions of the human body. To achieve that goal, with microfluidic science, a microenvironment can be provided to study the behavior of cells of different tissues on a small scale. In this paper, simulation of mass transfer and fluid transfer has been performed with Comsol software in a microfluidic chip to obtain suitable geometric dimensions. For this purpose, the equations of collagen solution flow and motion were solved using a two-phase module with initial conditions, boundary conditions, and appropriate parameters. Mass transfer simulations were performed for two different dimensions of trapezoidal posts and fluid simulation was investigated by changing the dimensions of trapezoidal posts, changing the distance between posts, and the effect of collagen solution viscosity. The results showed that in the proposed geometry, the appropriate dimensions of the trapezoid are small base 100, large base 200, height 200, the distance between trapezoids is 100 μm, and the appropriate concentration of collagen solution to prevent leakage is 2 mg/ml. With the right geometry, at the right time, the culture medium penetrates the hydrogel channel, and the collagen solution moves along the channel without leakage.