Острые углы помогут рассортировать клетки по жесткости

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.

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.

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.

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.

Дмитрий Трунин