Физики из Германии разработали микрофлюидный прибор, который разделяет клетки с разной жесткостью — например, здоровые и больные эритроциты. Прибор представляет собой DLD-устройство, в котором круглые столбики заменены треугольными или квадратными столбиками с острыми краями.

Работоспособность прибора ученые проверили с помощью численного моделирования. Статья опубликована в Physical Review Fluids, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В 2004 году группа физиков под руководством Лотьена Хуана (Lotien Richard Huang) разработала технику детерминированного бокового смещения (Deterministic Lateral Displacement, DLD), с помощью которой можно сортировать микрометровые частицы, плывущие в потоке жидкости. Как правило, сортирующее устройство состоит из большого числа круглых столбиков микрометрового диаметра, которые располагаются в шахматном порядке и разделяют ламинарный поток на несколько потоков с одинаковыми объемными расходами. Микрометровые жесткие сферы в потоке, по-разному проходят сквозь такое устройство: если радиус сферы меньше критического, она смещается вбок, если больше — двигается по зигзагу. Критический радиус определяется шириной столбиков и интенсивностью потока. Из-за высокой точности и удобства технику DLD часто применяют в исследовательских и клинических целях — например, с ее помощью можно убрать из крови человека опухолевые клетки, бактерии и паразиты.

К сожалению, техника DLD хорошо работает только с жесткими сферическими частицами, тогда как биологические клетки обычно имеют неправильную форму и легко деформируются. Поэтому траектория, по которой клетка двигается внутри сортирующего устройства, зависит от ее формы и ориентации, а эффективность сортировки сильно снижается по сравнению с идеальным случаем. В то же время, зачастую механические свойства клетки оказываются важнее, чем ее размер. В частности, в ходе развития таких заболеваний, как диабет, малярия и серповидноклеточная анемия, жесткость красных кровяных телец (эритроцитов) постепенно возрастает — следовательно, сортировка клеток по жесткости сильно бы помогло диагностике и лечению болезней.

Группа физиков под руководством Дмитрия Федосова придумала такой метод и доказала его работоспособность с помощью численного моделирования. Для этого ученые заменили круглые столбики столбиками с острыми краями — квадратами или треугольниками. Когда эритроцит плывет сквозь асимметричный массив из таких «острых» столбиков, он деформируется, причем степень деформации зависит от жесткости клетки. Из-за этого «жесткие» и «мягкие» клетки движутся по разным траекториям, и их можно разделить на выходе из прибора.

Форма столбиков (a), расположение столбиков в массиве (b) и модель эритроцита © / Zunmin Zhang et al. / Physical Review Fluids, 2019

Сначала ученые смоделировали работу прибора в упрощенном двумерном случае, используя диссипативную динамику частиц(dissipative particle dynamics). Для простоты исследователи приблизили эритроцит замкнутой цепочкой бусинок, связанных упругими пружинками. Если жесткость пружинок была сравнительно невелика, эритроциты изгибались, когда сталкивались с острым углом столбика, прижимались к нему и оставались в исходном потоке. В то же время, более жесткие клетки не успевали изогнуться при столкновении, отскакивали от столбика и попадали в соседний поток. В результате жесткие эритроциты постепенно отделялись от мягких. С другой стороны, для круглых столбиков жесткость клетки не играла роли — как мягкие, так и жесткие клетки переходили в соседний поток после столкновений.

Поведение «мягких» (темный) и «жестких» (светлый) эритроцитов, проходящих сквозь массив круглых столбиков / Zunmin Zhang et al. / Physical Review Fluids, 2019

Затем исследователи обобщили расчеты на трехмерный случай с помощью метода сглаженной диссипативной динамики. В этом случае поверхность клетки приближалась не замкнутой цепочкой бусинок, а треугольной сеткой. Коэффициент сортировки при этом немного отличался от двумерного случая, однако качественное поведение оставалось прежним.

Поведение «мягких» (темный) и «жестких» (светлый) эритроцитов, проходящих сквозь массив треугольных столбиков / Zunmin Zhang et al. / Physical Review Fluids, 2019

Авторы статьи отмечают, что прибор работает только при определенном соотношении между интенсивностью потока и деформацией клетки, поэтому скорость потока нужно очень внимательно контролировать. Это объясняет, почему ранние эксперименты с «острыми» столбиками не смогли отсортировать клетки по жесткости. Впрочем, требуемый для работы напор жидкости всего в полтора раза превышает напор в обычных DLD-сортировщиках, а потому реализовать это условие на практике не составит труда.

За последние несколько лет физики разработали несколько новых способов сортировки частиц, имеющих самые разные свойства. Например, в сентябре 2017 года российские ученые обнаружили, что частицы в микроканалах можно сортировать по размерам с помощью электрического поля — для этого в каналах должны быть углубления, которые создают поперечные потоки и смещают частицы в сторону от основного потока в зависимости от их размера. В ноябре того же года британские исследователи разработали новый метод сортировки магнитных частиц в микрофлюидных чипах, основанный на совмещении магнитного поля и гидродинамических эффектов. А в августе 2018 американские ученые изготовили мембрану, которая пропускает большие частицы, но задерживает маленькие. Такое устройство можно использовать в качестве барьера от пыли и мелких насекомых или при проведении открытых хирургических операций.