Optimization of Magnetic Blood Cleansing Microdevices

자기 혈액 정화 마이크로 장치의 최적화

이 기사는 스페인 칸타 브리아 대학 (University of Cantabria) 화학과 및 버팔로 (뉴욕), 미국 뉴욕 주립 대학 생화학공학과의 enifer Gómez-Pastora, Eugenio Bringas, Inmaculada Ortiza 및 Edward P. Furlanib에 의해 기고되었습니다.

Separation of toxins with magnetic particles. Why is it so important?

자성 입자와 독소의 분리. 왜 그렇게 중요한가?

자성 입자의 사용은 최근 독성 물질의 혈류에서 다른 독소가 체외로 포획되는 해독 (disoxification) 과정으로 확대되었습니다. 생체 유체의 해독은 많은 수의 임상 상태에서 가장 생각할 수있는 치료법이며, 일부는 패혈증과 같은 높은 사망률과 관련이 있습니다. 이것은 혈류를 통해 퍼지면서 신체의 방어력을 압도하는 미생물 감염에 의한 치명적인 질병입니다. 이는 미국 내에서만 연간 1800 만 명의 사람들에게 고통을주고 매년 20 만 명이 넘는 사망을 초래하는 병원 중환자 실에서의 주요 사망 원인을 나타냅니다. 정확한 치료를 시행하기 전에 사망률이 매 시간마다 9 % 나 증가한다는 것을 볼수 있습니다. 따라서 최첨단 병원 중환자 실에서도 독소를 신속하게 제거하는 것이 가장 중요합니다.

우리는 현재 치료법의 한계가 독소 격리 제로서 자성 비드를 사용하는 것과 같은 새로운 전략의 개발을 필요로한다는 것을 발견했습니다. 입자의 자기 적 특성으로 인해 병원체의 포획이 완료되면 영구 자석에 의해 생성 된 외부 자기장을 사용하여 환자의 혈액과의 분리가 연속적으로 수행 될 수 있습니다. 지난 10 년 동안 개발 된 다중 자기 마이크로 세퍼레이터로부터 우리는 2 상 연속 흐름 시스템의 사용을 제안했습니다. 이러한 시스템은 흐름 제한 및 생체 유체의 임의의 분해 (즉, 포획 영역 내의 세포의 비특이적 포획)가 회피되어 시간 경과에 따른 시스템의 효능 및 용량을 유지하기 때문에 최선의 대안일 것입니다 [1]. 그러나 이러한 프로세스의 최적화는 덜 연구되었고 합리적 설계는 종종 수학적 설명과 관련된 복잡성으로 인해 부족합니다. 따라서 우리는 체외 해독 과정의 설계를 최적화하기 위해 FLOW-3D로 다중 위상 시스템 내부의 흐르는 혈류로부터 자기 구슬의 분리를 모델링했습니다. 그림1에 나타난 제안된 분리기 디자인에서, 비드는 상부 입구를 통해 연속적으로 주입되고, 자기 구배의 적용에 의해 편향되고 유동 버퍼 스트림으로 수집됩니다. 유체 위상의 혼합을 피하면서 효율적인 분리를 달성하기 위해, 자력 및 유체력을 신중하게 연구하고 최적화했습니다. 구슬이 편향 될 때 입자 – 유체 상호 작용에 대한 상세한 연구도 제공됩니다.

그림 1. 제안 된 microfluidic bioseparator의 도식 다이어그램 ([2]에서 채택).

Modeling approach with FLOW-3D

첫번째로 보여지는 생체 분리기 내부의 자기 영동 입자 수송을 예측하기위한 모델은 CFD 기반의 오일러 – 라그랑지안 (Eulerian-Lagrangian) 접근법으로 구성됩니다. Navier-Stokes 방정식을 풀어서 예측 한 유체 이동은 오일러 접근법을 사용하여 계산되지만, 우리는 비드 역학을 모델링하기 위해 라그랑지안 프레임 워크를 사용했습니다. 라그랑지안 (Lagrangian) 접근법에 따르면 입자는 개별 단위로 모델링되었으며 각각의 궤도는 고전적인 뉴턴 역학을 적용하여 추정되었습니다. 분리 동안 입자에 작용하는 힘은 다르지만 영구 자석에 의해 생성 된 자기 구배 하에서 비드 궤적을 예측하기위한 지배적 인 자력 및 유동력만 고려했습니다. 유체의 동일한 유입 속도를 유지하면서 채널의 하부 벽과 자석의 상단 사이의 거리를 변화시킴으로써 다른 입자 궤적 및 따라서 분리 효능을 얻었습니다 (버퍼에 대해 0.035mS-1, m • s-1). 우리가 개발 한 모델링 노력에 대한 자세한 내용은 출판 된 연구 [1, 2]에서 찾을 수 있습니다.

그림 2. 자석과 마이크로 채널 사이의 거리 “d”를 변화시킴으로써 제공되는 서로 다른 자기장 하에서의 입자 궤적 (빨간색 선) ([2]에서 채택). 윤곽 플롯은 채널에서 예상되는 평균 유체 속도 크기를 나타냅니다.

Particle magnetophoresis results

입자 자기 영동 결과

자석의 위치를 ​​변화시킴으로써, 우리는 가변 자장 구배가 발생하고, 따라서 상이한 분리 효율이 얻어짐을 입증했습니다. 그림 2는 자석과 채널 사이의 거리 d가 다른 입자의 궤도를 보여줍니다. 0 ~ 1mm 사이의 거리에서 모든 입자는 입구에서 원래 위치와 별개로 분리됩니다. 더 큰 거리의 경우, 낮은 자기력으로 인해 분리가 불완전합니다. 완전한 입자 분리를 위해서는 중 ~ 고 자력이 필요합니다. 그러나, 우리는 높은 자력이 유체 패턴의 섭동과 유체 계면의 파손으로 이끄는 입자의 극도의 가속으로 인해 해독 목적에 바람직하지 않음을 입증했습니다 (그림 3 참조). 따라서 중간 자력이 나타나게됩니다. 완전한 비드 분리가 혈액의 완전성을 유지하면서 달성 될 수 있기 때문에 이러한 종류의 시스템에 가장 적합할 수 있습니다.

그림 3. 입자가 a) d = 0 mm 및 b) d = 1.15 mm에 대해 상간 경계면을 횡단 할 때의 속도 벡터. c) d = 0 mm 및 b) d = 1.15 mm ([2]에서 채택)에 대한 그 당시의 혈액 체적 분율.

Conclusions

본 연구에서는 다중 위상 연속 흐름 마이크로 디바이스에서 혈액으로부터 자기 비드 분리 과정을 예측하고 최적화 하기위한 새로운 FLOW-3D 모델을 소개했습니다. 이 모델은 입자에 작용하는 우세한 힘을 고려하고 개별 입자의 궤도, 분리에 필요한 시간 및 혈액 / 버퍼 동시 흐름의 섭동을 포함하여 분리 과정의 중요한 세부 사항을 연구하는데 사용될 수 있습니다 . 이 연구의 핵심 요소는 유체 장에서 입자 – 유체 상호 작용의 영향을 고려하면서 장치에서 동시에 흐르는 두 유체 간의 상호 작용을 연구 한 것입니다. 솔루션이 채널의 길이를 따라 독립적으로 흐르고 각각의 출구에서 분리되어 가능한 혈액 손실이나 용해를 피하기 때문에 이러한 문제는 매우 중요합니다. 여기에 이어지는 방법론은 핵심 작동 변수 및 매개 변수를 고려하여 입자 분리를 예측하는 데 사용할 수 있으므로 합리적인 설계 지침을 제공합니다. 일반적으로 혈액 해독 과정뿐만 아니라 미세 유체 장치 내부에 여러 개의 구속 된 액체 상을 포함하는 다른 연구를위한 파라 메트릭 분석 및 최적화에도 적용됩니다. 우리의 미래 연구는 새로운 혈액 해독 과정을 설계하기 위해 전혈을 사용하는 과정의 실험적 분석과 자성 분리 단계의 독소 제거와 통합에 초점을 맞출 것입니다.

References

[1] Gómez-Pastora et al., Separation and Purification Technology, 2017, 172, 16–31.

[2] Gómez-Pastora et al., Journal of Physical Chemistry C, 2017, 121, 7466−7477.