Υπολογιστική ανάλυση διαχωρισμού σπανίων κυττάρων σε μικρορευστονική διάταξη με ανάγλυφο ψαροκόκαλου στα τοιχώματα - Ταβαντζόπουλος, Νικόλαος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, 2018)
Οι μέθοδοι διαχωρισμού σπανίων κυττάρων (π.χ. κυκλοφορούντα καρκινικά κύτταρα, βακτήρια) βασίζονται στις μηχανικές ιδιότητες των κυττάρων (π.χ. μέγεθος), στην εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου και στην προσάρτηση μαγνητικών σωματιδίων στα κύτταρα ώστε να αποκτήσουν μαγνητικές ιδιότητες. Σημαντική κατηγορία μεθόδων διαχωρισμών είναι επίσης και οι ανοσοχημικές κατά τις οποίες τα τοιχώματα της διάταξης επικαλύπτονται με αντισώματα, στα οποία προσκολλώνται επιλεκτικά τα σπάνια κύτταρα. Το ζητούμενο σε αυτές τις μεθόδους και στις σχετικές μικρορευστονικές διατάξεις είναι η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη αλληλεπίδραση των κυττάρων με τα τοιχώματα της διάταξης. Για το σκοπό αυτό έχει προταθεί η χρήση μικρορευστονικών διατάξεων οι οποίες αποτελούνται από ένα κύριο κανάλι ορθογωνικής διατομής με ανάγλυφο ψαροκόκαλου στον πυθμένα. Τέτοιου είδους κανάλια οδηγούν σε χαοτική συναγωγή και επομένως ανάπτυξη εγκάρσιας μεταφοράς μάζας με συνέπεια την αύξηση των αλληλεπιδράσεων των κυττάρων με τα τοιχώματα. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται υπολογιστική ανάλυση του προβλήματος διαχωρισμού σπάνιων κυττάρων μέσω ανοσοχημικής μεθόδου σε μικρορευστονική διάταξη που αποτελείται από κανάλι με ανάγλυφο ψαροκόκαλου στον πυθμένα. Ο στόχος της ανάλυσης είναι ο υπολογισμός της απόδοσης διαχωρισμού, του λόγου του πλήθους των κυττάρων που προσκολλώνται στα τοιχώματα της διάταξης προς το συνολικό πλήθος κυττάρων που εισάγονται στη διάταξη. Το πρόβλημα προσεγγίζεται μέσω της μεθόδου ιχνηλασίας, όπου τα κύτταρα προσεγγίζονται ως σωματίδια που κινούνται πάνω στις ροϊκές γραμμές του πεδίου ροής. Συνεπώς για τον υπολογισμό των τροχιών των κυττάρων στο κανάλι αρκούν η επίλυση της εξίσωσης συνέχειας και των εξισώσεων Navier – Stokes. Αφού υπολογιστούν οι τροχιές, ένα κύτταρο θεωρείται ότι προσκολλάται σε τοίχωμα της διάταξης αν κάποιο σημείο της τροχιάς του απέχει λιγότερο από την ακτίνα του από κάποιο τοίχωμα. Η απόσταση από τα τοιχώματα της διάταξης υπολογίζεται με την επίλυση της εξίσωσης Eikonal. Πραγματοποιείται μελέτη της επίδρασης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της διάταξης, του αριθμού Reynolds και της ακτίνας των υπό διαχωρισμό κυττάρων, στην απόδοση διαχωρισμού στη διάταξη, καθώς και σύγκριση με αντίστοιχη διάταξη χωρίς vi ανάγλυφο πυθμένα. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι το πλήθος των κυττάρων που προσκολλώνται στα τοιχώματα της διάταξης και άρα η απόδοση διαχωρισμού αυξάνεται όταν α) αυξάνεται το μέγεθος (ακτίνα) των σωματιδίων, β) μειώνεται το ύψος του κύριου καναλιού και γ) αυξάνεται το βάθος των αυλακιών του ανάγλυφου ψαροκόκαλου στον πυθμένα της διάταξης. Επίσης, η επίδραση του αριθμού Re στην απόδοση διαχωρισμού είναι αμελητέα για εύρος τιμών από 0.1 έως και 10. Τέλος, η διάταξη με ανάγλυφο ψαροκόκαλου στον πυθμένα, οδηγεί σε αύξηση της απόδοσης του διαχωρισμού 4 με 6 φορές σε σύγκριση με τη διάταξη χωρίς ανάγλυφο στον πυθμένα.