在芯片器官模型中对流体流动行为的数值评估和实验验证
Violeta Carvalho1, Inês M Gonçalves2, Nelson Rodrigues3
1Division of Engineering in Medicine, Department of Medicine, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Cambridge, MA, 02139, USA; MEtRICs, Mechanical Engineering Department, University of Minho, Campus de Azurém, 4800-058 Guimarães, Portugal; ALGORITMI Center/LASI, University of Minho, Campus de Azurém, 4800-058 Guimarães, Portugal; Center for MicroElectromechanical Systems (CMEMS-UMinho), University of Minho, Campus de Azurém, 4800-058 Guimarães, Portugal; LABBELS-Associate Laboratory, Braga/Guimarães, Portugal.
这项研究验证了器官芯片 (OoC) 微流体设备的数值模型. 经过验证的模型准确地预测了流体流动和氧气运输,加速了OOC设计并降低了实验成本.
科学领域:
- 生物医学工程 生物医学工程
- 微流体学 微流体学
- 计算建模 计算建模
背景情况:
- 器官在芯片 (OoC) 平台集成生物材料,细胞培养和微流体,以模仿人类器官生理学.
- OoCs对于疾病建模和治疗开发至关重要,需要可靠的计算模型来优化.
- 在与实验数据对比OOCs的数值模型的验证中存在一个显著的差距.
研究的目的:
- 开发和验证一个数值模型来模拟OOC微流体装置中的流体流动.
- 建立 OoC 设计和优化计算模型的准确性和可靠性.
- 为未来的研究奠定基础,包括几何优化.
主要方法:
- 使用安赛斯Fluent软件开发了一个OoC微流体装置的数值模型.
- 验证涉及微粒体流量的定量和定性分析,使用血液模拟液体.
- 高速显微镜图像与模拟结果进行了比较,氧气运输在不同的雷诺斯数下进行了评估.
主要成果:
- 数字和实验结果显示,对定性和定量流量分析的结果都很好.
- 该模型准确地预测了OOC内的粒子路径和速度.
- 氧气运输模拟显示了有机体内较低位置的扩散主导地位和较高位置的对流.
结论:
- 经过验证的数值模型准确模拟了OOC流体动力学,证实了它的可靠性.
- 这种经过验证的模型可以显著加快OOC设计过程.
- 减少对物理原型和昂贵实验的依赖是这种验证的计算方法的关键好处.
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