超级计算机揭示微流体通道中的新细胞分选原理

研究人员发现了一种在微流体通道中对粒子进行分选的新标准，为疾病诊断和液体活检的进步铺平了道路。大阪大学、关西大学和冈山大学的联合团队利用超级计算机“富岳”（Fugaku）发现，与刚性粒子相比，生物细胞等软粒子表现出独特的聚焦模式。

该成果发表在《流体力学杂志》上，为利用细胞和粒子变形性的下一代微流体设备铺平了道路，有望实现高效的细胞分选以及早期癌症检测等生物医学应用。

微流体技术涉及在微观尺度上操纵流体。控制微通道内的粒子运动对于细胞分选和诊断至关重要，有望实现早期癌症的检测和治疗。先前的研究主要集中在通常聚集在通道壁附近的刚性粒子上，而可变形粒子的行为在很大程度上仍未被探索。

本研究旨在了解粒子变形性如何影响其聚焦模式。研究人员使用了专门设计的水凝胶粒子，模拟细胞的大小和柔软度。

结合实验、模拟和理论模型，研究团队揭示了聚焦行为的明显差异。刚性颗粒会向通道壁附近的特定点迁移，而软颗粒则会聚焦在通道中心或沿对角线，具体取决于流动条件。

利用“富岳”的计算能力，他们模拟了由雷诺数（惯性）和毛细管数（变形性）定义的各种流态下的粒子行为。这些模拟揭示了聚焦模式中的“相变”，该相变由这两个数的比率——拉普拉斯数——控制。一个新的理论模型解释了这种转变，为理解其背后的物理原理提供了基础性的见解。

这项研究将粒子变形性作为关键设计参数，开创了下一代微流体技术，将微流体通道设计从经验方法转向科学方法。

新的理论模型通过将非线性问题分解为惯性和变形性的线性分量，大大简化了设计。

这种对细胞分选的增强控制有望带来重大的生物医学进步，包括通过根据癌细胞与健康细胞相比的独特变形性快速识别癌细胞来改善早期癌症检测，以及通过评估细胞硬度的变化来监测治疗效果。

该研究的主要作者 Yuma Hirohata 肯定地说：“我们致力于进一步开发这项技术，以充分发挥其在医疗保健和生物技术领域的潜力。”

更多信息： Yuma Hirohata 等人，方形通道流中悬浮水凝胶颗粒惯性迁移的实验与数值研究，《流体力学杂志》（2025 年）。DOI ：10.1017/jfm.2025.10574

期刊信息： 流体力学杂志