Transport částic v mikrofluidních zařízeních: víceškálový přístup modelování

Bc. Anna PAŘÍKOVÁ

Master's thesis

Particle transport in microfluidic devices: a multiscale modeling approach

Abstract:

Tato práce se zabývá modelováním transportu částic se zaměřením na biotechnologické aplikace. Cílem práce je především vytvoření metodiky, jak přistupovat k modelování vícefázových systémů tvořených pevnou fází a kapalinou v různých časoprostorových měřítkách. Pro simulace byly vybrány tři systémy: manipulace s rybími embryi v průtočných zařízeních, transport buněk v mikrokanálku a transport exozomů v mikrofluidním zařízení. Zkoumaná měřítka částic jsou v milimetrových, mikrometrových a nanometrových rozměrech. V závislosti na poměru velikosti částic k velikosti systému a koncentraci pevné fáze byly použity různé modelovací techniky s využitím víceškálového přístupu. Výsledky simulací byly porovnány s experimentálními měřeními, teorií a výsledky v literatuře. V případě rybích embryí byla stanovena efektivní hustota jiker a terminální rychlost a byly rovněž prezentovány podmínky, za kterých lze s jikrami v mikrofluidním zařízení manipulovat. Při zkoumání transportu buněk proudící kapalinou bylo zjištěno, že systém je v heterogenním režimu a rychlost usazování v počáteční fázi se zvyšuje až o jeden řád ve srovnání se situací, kdy se usazuje pouze jedna částice. V případě exozomů byl prezentován jejich transport ve složité geometrické struktuře. Byl použit postup pro simulaci stacionární tekutiny se sledováním částic formou postprocesingu.

Abstract:

This thesis deals with modeling of particle transport focusing on biotechnological applications. The aim of this work is mainly forming a methodology of how to approach modeling of multiphase systems with solid-fluid phases in different spatio-temporal scales. Three systems were chosen for simulations: manipulation with fish embryos in fluidic devices, transport of cells in a microchannel and exosome transport in a microfluidic device. Examined scales of particles are in millimeter, micrometer and nanometer dimensions. Depending on the ratio of particle size to system size and solid phase concentration, different modeling techniques were applied using a multiscale approach. The simulation results were compared with experimental measurements, theory and results in literature. In the case of fish embryos, the effective egg density and terminal velocity were determined and the conditions under which the egg can be manipulated in the microfluidic device were also presented. When cell transport by flowing fluid was investigated, the system was found to be in a heterogeneous regime and settling velocities at the initial stage were found to increase by up to one order compared to the situation where only one particle is settling. In the case of exosomes, their transport through a complex geometrical structure was presented. A procedure was followed to perform the simulation in a stationary fluid with particle tracking in the form of post-processing.

Keywords

mikrofluidní zařízení, biotechnologie, suspenze, CFD, DEM, víceškálový přístup

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 9. 12. 2021

Zverejniť od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Vedúci: doc. Ing. Jaromír Havlica, Ph.D.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Master programme / odbor:
Nanotechnology / Applied Nanotechnology