Počítačové modelování proudění tekutiny a analýza chování nádorových buněk v průtočných mikrozařízeních

Oskar STARÝ

Bachelor's thesis

Computational Modeling of Fluid Flow and Analysis of Tumor Cells Behavior in Microfluidic Devices

Abstract:

Nedávný rozvoj mikrofluidních zařízení přinesl nové možnosti přípravy a analýzy látek jak v průmyslu, tak v biomedicínských odvětvích. Jedním z potenciálních využití těchto zařízení je výroba efektivních biosenzorů, které lze využít při výzkumu rakoviny. Tato práce se zabývá problematikou mikrofluidních zařízení a jejich využitelnosti pro separaci a detekci nádorových buněk. V rámci bakalářské práce byl vytvořen návrh a geometrická optimalizace vnitřní struktury průtočného mikrozařízení s cílem maximalizovat promíchávání tekutiny pomocí vnitřních překážek. Dále byl zkoumán vliv modifikace vnitřního povrchu, času depozice a průtoku na bioafinitní interakce nádorových buněk s povrchem průtočného mikrozařízení. Ukázalo se, že modifikace povrchu má zásadní význam pro separaci buněk. Zvětšování průtoku způsobuje výraznější odplavování buněk z prostoru kanálku, zejména v případě nemodifikovaného povrchu. Na základě Voroného diagramů a výsledků radiální distribuční funkce bylo zjištěno, že buňky jsou přednostně odplavovány, pokud se v prostoru nacházejí osamoceně. Naopak buněčné shluky posilněné o mezibuněčné vazby odolávají lépe vlivům proudící tekutiny.

Abstract:

Recent development of microfluidic devices has brought new possibilities of compound preparation and analysis not only in industry but also in biomedical sphere. One of potential uses of these devices is production of effective cancer research biosensors. This thesis focuses on problematics of microfluidic devices and their usability for separation and detection of cancer cells. Within this bachelor thesis, a design and geometric optimization of a flow microdevice's inner structure was developed with the aim to maximize liquid stirring through use of inner barriers. Modifications to surface, deposition time and flow rate were subsequently performed and their effect on bioaffinity interactions between cancer cells and the surface of fluidic microdevice was studied. Results show that surface modification has essential influence on cell separation. Flow rate increase causes significant cell flush-out from channel space, especially in case of unmodified surface. It was established, based on the Voronoi diagram and results of radial distribution function, that cells are preferentially flushed out if they occur isolated in the channel. On the contrary, cell clusters strengthened by intercellular bonds resist better to effects of the flowing liquid.

Keywords

CFD, numerická simulace, OpenFOAM, zpracování obrazu, mikrofluidní zařízení, nádorová buňka

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 11. 2018

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

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

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Applied Physics / Applied Computer Modelling