Spatiotemporal Dynamics of Dilute Red Blood Cell Suspensions in Low-Inertia Microchannel Flow.
Spatiotemporal Dynamics of Dilute Red Blood Cell Suspensions in Low-Inertia Microchannel Flow.
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低惯性微通道流中稀释红细胞悬浮液的时空动力学。
DOI：
10.1016/j.bpj.2020.03.019
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发表时间：
2020
影响因子：
3.4
通讯作者：
Zhou Q
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zhou Q
微流控技术通常用于红细胞悬浮液的操作和流动介导的生物力学分析。为了提高微流控装置的性能，了解微流控装置内悬浮过程的动力学是至关重要的。据我们所知，在低雷诺数下，RBC悬浮液在典型的微通道中流动的时空动力学方面具有新颖性。通过对稀释的红细胞悬浮液的实验，我们发现了细胞的偏离中心的双峰(OCTP)分布，这与通常报道的低惯性流的集中分布相反。这让人想起著名的“管状挤压效应”，它是由惯性效应引起的。然而，考虑到在我们的实验中惯性可以忽略的条件，对于这个OCTP轮廓需要另一种解释。我们使用浸没边界格子Boltzmann方法对实际尺寸的微流体维度中的RBC流动进行了大规模并行模拟，证实了实验结果，并阐明了反直觉的RBC模式的潜在机制。通过分析大宽高比通道中红细胞的迁移和无胞层的发展，我们发现这种分布是由流体动力升力的空间衰减和稀释悬浮液中细胞弥散的整体缺陷共同决定的。在实验和模拟中，我们发现无细胞层发展长度分别大于46和28个水力直径，超过了微流控设计的典型长度。我们的工作强调了稀释悬浮液中瞬时细胞分布的关键作用，如果不考虑这一点，可能会对实验结果的可靠性产生负面影响。
Microfluidic technologies are commonly used for the manipulation of red blood cell (RBC) suspensions and analyses of flow-mediated biomechanics. To enhance the performance of microfluidic devices, understanding the dynamics of the suspensions processed within is crucial. We report novel, to our knowledge, aspects of the spatiotemporal dynamics of RBC suspensions flowing through a typical microchannel at low Reynolds number. Through experiments with dilute RBC suspensions, we find an off-center two-peak (OCTP) profile of cells contrary to the centralized distribution commonly reported for low-inertia flows. This is reminiscent of the well-known "tubular pinch effect," which arises from inertial effects. However, given the conditions of negligible inertia in our experiments, an alternative explanation is needed for this OCTP profile. Our massively parallel simulations of RBC flow in real-size microfluidic dimensions using the immersed-boundary-lattice-Boltzmann method confirm the experimental findings and elucidate the underlying mechanism for the counterintuitive RBC pattern. By analyzing the RBC migration and cell-free layer development within a high-aspect-ratio channel, we show that such a distribution is co-determined by the spatial decay of hydrodynamic lift and the global deficiency of cell dispersion in dilute suspensions. We find a cell-free layer development length greater than 46 and 28 hydraulic diameters in the experiment and simulation, respectively, exceeding typical lengths of microfluidic designs. Our work highlights the key role of transient cell distribution in dilute suspensions, which may negatively affect the reliability of experimental results if not taken into account.
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DOI：
--
发表时间：
1999
期刊：
影响因子：
--
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P. Olla
通讯作者：
P. Olla
影响因子：
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作者：
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C. Misbah
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B. Sebastian;P. Dittrich
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