Agitational Stresses

Agitational Stresses / 동요 스트레스

This article was contributed by Ge Bai, Scientist, MedImmune LLC.

Agitation instruments and glass vial

Agitation 연구는 생물 요법 발달에 있어 흔하고 중요한 부분이지만, 관련된 스트레스의 근본적인 특성과 단백질 안정성에 대한 영향은 완전히 이해되지 않았습니다. 동요된 스트레스 방법의 특성화는 단백질 분해 메커니즘이나 특정 민감도를 식별하는데 매우 중요합니다. 전단, 경계면, 캐비 테이션 또는 기타 유체 및 계면 장력에 의한 응력은 실험적 방법으로 측정하기 어렵거나 불가능합니다. 최근에는 다양한 주파수에서 회전 장치(Rotator), 궤도 셰이커, 자석 교반기, 와류 혼합기(그림 1참조)를 포함한 다양한 계측기를 사용하여 3-4S 유리 바이알에서 동요하는 액체의 유체 역학을 모델링하여 단백질 안정성에 잠재적으로 중요한 응력을 확인하고 정량화하였습니다. 25°C에서 물의 유동성 특성이 이러한 시뮬레이션에 사용되었습니다.

Gaining better understanding on agitational stresses applied to proteins for biopharmaceutical development

표준 FLOW3D코드는 최대 시스템 전단율, 볼륨 평균 전단률, 공기-액체 및 고체-액체 인터페이스 근처의 볼륨 평균 전단률, 총 전단, 고체-액체 인터페이스의 면적, 그리고 공기음 재생 인터페이스와 같은 단백질에 대한 잠재적으로 유해한 응력을 수치적으로 계산할 수 있도록 맞춤화하였다. 표준 소프트웨어 패키지의 추가 출력으로 표시됩니다. 시뮬레이션과 실험 사이에 바이알에 있는 유체의 자유 표면 형태를 비교하여 CFD모델을 검증하였습니다(그림 2).

Orbital schaker simulation
그림 2. CFD시뮬레이션과 300rpm정상 상태에서의(A)궤도 쉐이커와(B)35rpm, 55°위치에서의 회전 장치(Rotator)회전 장치(Rotator)에 대한 실험 사이의 유체 없는 표면 형태 비교.
Instantaneous shear rates
그림 3. 최대 진동 주파수(A)궤도 쉐이커,(B)자기 교반기,(C)와류 혼합기 및(D)회전 장치(Rotator)에서의 경계면 부근에서의 순간 전단율.

응력(전단 속도 및 인터페이스 생성 속도)의 예와 공기 액상 및 고체 액체 인터페이스에서의 비교는 그림 3과 그림 4에 나와 있다. 전체적으로, 와류 혼합기는 가장 강한 응력을 제공하는 반면, 자석 교반기는 소수성 절 표면에 국소적으로 강한 전단을 제시하였다. 회전 장치(Rotator)는 부드러운 유체 응력을 제공하지만 낮은 회전 주파수를 고려할 때 공기-물 내부 영역 및 표면 응력은 상대적으로 높습니다. 궤도 셰이커는 중간 수준의 스트레스를 제공하지만 일관된 생체-생체 동질성을 위한 크고 안정적인 플랫폼의 이점을 제공합니다.

Air-liquid interface generation rates
그림 4. 최대 진동 주파수(A)궤도 쉐이커,(B)자기 교반기,(C)와류 혼합기 및(D)회전 장치(Rotator)에서의 공기 액상 인터페이스 생성 속도.

우리는 설명한 각각의 동요된 방법에서 유리 용기 안의 액체에 복수의 응력이 동시에 작용한다는 것을 발견했다. 이러한 스트레스는 다양한 방법에 따라 다양했으며 종종 교란 주파수의 강력한 기능으로 밝혀졌다. 또한 알려진 유형과 강도의 스트레스를 가진 적절한 촉진 방법을 선택하면 단백질 저하 메커니즘에 대한 영향을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다는 것도 알아냈다. 우리는 CFD가 실험 시스템에서 유체 응력의 특성을 파악하고 실제 조건에 대한 관련성을 검증하는 데 중요한 역할을 할 수 있다고 결론지었습니다.

생명 공학 응용 분야

표준 FLOW-3D 코드는 시스템 전단 속도, 부피 평균 전단 속도, 공기-액체 및 고체-액체 계면 근처의 부피 평균 전단 속도, 총 전단, 고체 면적과 같은 단백질에 잠재적으로 유해한 응력이 발생하도록 맞춤화되었습니다. 액체 인터페이스 및 공기-액체 인터페이스 재생률을 수치적으로 계산하고, 표준 소프트웨어 패키지의 추가 출력과 비교할 수 있습니다. 시뮬레이션과 실험 사이에 VIAL에있는 유체의 자유 표면 모양을 비교하여 CFD 모델을 검증했습니다 (그림 2).

Orbital schaker simulation
Figure 2. Comparison of the shape of fluid free surface between CFD simulation and experiment for (A) orbital shaker at 300 rpm at steady state and (B) rotator at 35 rpm, 55° position.
Instantaneous shear rates
Figure 3. Instantaneous shear rates near interfaces at maximum agitation frequencies (A) orbital shaker, (B) magnetic stirrer, (C) vortex mixer and (D) rotator.

응력(전단 속도 및 인터페이스 생성 속도)의 예와 공기 액상 및 고체 액체 인터페이스에서의 비교는 그림 3과 그림 4에 나와 있습니다. 전체적으로, 와류 혼합기는 가장 강한 응력을 제공하는 반면, 자석 교반기는 hydrophobic stir bar 표면에 국소적으로 강한 전단을 제시합니다. 회전 장치(Rotator)는 부드러운 유체 응력을 제공하지만 낮은 회전 주파수를 고려할 때 공기-물 내부 영역 및 표면 응력은 상대적으로 높습니다. 궤도 셰이커는 중간 수준의 스트레스를 제공하지만 일관된 생체-생체 동질성을 위한 크고 안정적인 플랫폼의 이점을 제공합니다.

Air-liquid interface generation rates
Figure 4. Air-liquid interface generation rates at maximum agitation frequencies (A) orbital shaker, (B) magnetic stirrer, (C) vortex mixer and (D) rotator.

우리는 설명한 각각의 교반 방법에서 유리 용기 안의 액체에 여러가지 응력이 동시에 작용한다는 것을 발견했다. 이러한 스트레스는 다양한 방법에 따라 다양했으며 종종 교란 주파수의 강력한 기능으로 밝혀졌다. 또한 알려진 유형과 강도의 스트레스를 가진 적절한 촉진 방법을 선택하면 단백질 분해 메커니즘에 대한 영향을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다는 것도 알아냈습니다. 우리는 CFD가 실험 시스템에서 유체 응력의 특성을 파악하고 실제 조건에 대한 관련성을 검증하는 데 중요한 역할을 할 수 있다고 결론지었습니다.

Lab-on-a-chip – Thermocapillary actuation (열 모세관 작동)

Thermocapillary actuation (열 모세관 작동)

  • 열 효과를 사용한 랩온어칩의 미세 액체의 길
    – 온도에 의존하는 표면 장력
    – 외부의 기계적인 힘이 필요하지 않음
    – 프로그래밍이 가능한 마이크로 히터 어레이를 통해 열 효과 추가
  • 유체의 고유한 습윤성으로 인해 유체 손실이 발생
    – 열 모세관 작동 외에도 패턴화 된 (친수성 또는 소수성) 표면을 배치하여 손실을 최소화 할 수 있음

공간의 다양한 표면 장력

  • 차가운 유체에서 표면 장력이 높기 때문에 공간의 변화가 발생함
    – 높은 표면 장력으로 유체를 함께 유지
    – 유체가 따뜻한 곳에서 차가운 곳으로 당겨짐
    – 유체의 움직임은 다음의 식을 통해 알 수 있음

FLOW-3D에서의 시뮬레이션

  • 미세 액체는 인접 구역의 온도에 따라 움직임 (소수성과 친수성)