一种力–电协同驱动的细胞微流控培养腔理论模型

细胞培养液在微流控生物反应器中受到外界物理场(如压力梯度或者电场)作用流动而产生流体剪应力,并进一步刺激种子细胞调控其内部基因的表达,从而促进细胞的分化和生长,这个过程在自然生命组织内的微管中亦是如此.考虑到细胞培养微腔隙中液体流动行为很难实验量化测定,理论建模分析是目前可行的研究手段.因此建立了矩形截面的细胞微流控培养腔理论模型,将外部的物理驱动场(压力梯度与电场)与培养腔内液体的流速、切应力和流率联系起来,分别得到了压力梯度驱动(pressure gradient driven,PGD)、电场驱动(electric field driven,EFD)及力–电协同驱动(pressure-electricity synergic driven,P-ESD)三种驱动方式下的液体流动理论模型.结果表明该理论模型与现有的实验结果基本一致,即力–电协同作用下的解答为压力梯度驱动和电场驱动结果的叠加.细胞培养腔内的流体流速、剪应力及流率幅值均正比于外部物理场强幅值,但随着压力梯度驱动载荷频率的增大而减小,随着电场驱动频率的变化不明显.在压力梯度驱动作用下,细胞贴壁处的切应力随着腔高的增大而线性增大,流率则随着腔高的增大而非线性增大,而电场驱动下的结果不受腔高的影响.生理范围内的温度场变化对压力和电场驱动的结果影响不大.另外,在引起细胞响应的流体切应力水平,电场驱动能提供较大的切应力幅值而压力梯度驱动则能提供较大的流率幅值.该理论模型的建立为细胞微流控生物反应器实验系统的设计及参数优化提供理论参考,同时也为力–电刺激细胞生长、分化机理的研究的提供基础.     

微流控通道内细胞及其初级纤毛的力传导行为

细胞处于复杂的生理环境之下,附着在细胞表面的初级纤毛被认为是重要的力学信号传感器,其与细胞的代谢、发育、分裂和增殖等生理活动密切相关.为了研究细胞及其初级纤毛在微流体环境下的力传导行为,本文建立了力-电协同驱动下的矩形微流控通道和含有多孔黏弹性属性的贴壁细胞有限元模型系统.考察了细胞的细胞质和细胞核在振荡层流下的应力、应变、孔隙压力和孔隙流速等力学信号响应,量化研究了初级纤毛作为细胞独特的力学感受器的生物力学行为. 结果表明:细胞在振荡层流下的力学响应表现出和外加力-电驱动载荷相同的震荡规律.渗透率是细胞多孔弹性力学行为的主要影响因素. 初级纤毛是细胞主要的力学感受器,细胞可以通过纤毛长度和直径调节其力学感受敏感性(应力影响区域),随着初级纤毛长度的增大, 其纤毛挠曲刚度减小, 但是敏感性增大.模型的建立为进一步研究微流体剪切作用下的细胞生长、分化等微观机理提供基础,同时也为检测细胞微结构器(纤毛等蛋白链)的力学性能提供了理论技术支持.      

表面应力调制的微流控技术的驱动原理

发展和优化对薄膜、液滴和气泡进行流动控制操作的多功能装置, 要求深入了解界面现象和微流体动力学流动.表面积/ 体积的大比值和低雷诺数流动是此类系统的特点.毛细数和Bond数强烈地受边界效应影响, 因而可以通过各种表面处理和表面力 来进行控制.本文综述了运用调制法向或切向应力, 对均匀的、带化学处理条纹及拓扑结构纹理表面上的微滴和液膜进行驱动 的常用技术的基本原理.     

微流控器件中的多相流动

微流控技术及微流控器件是近年来发展迅速的多学科交叉研究领域,相比于传统方法,微流控技术能够实现对微量多相流体的精准操控,可应用于化学分析、先进材料合成、蛋白质结晶、单细胞培育及检测、信息处理等领域。该文回顾微流控器件中的多相流动现象,概述其所涉及的流体力学机理,阐述实现多相微流控的各种方法,并分析多相微流控技术的应用现状及面临的挑战,最后总结针对多相微流动问题的数值模拟方法和实验测量技术,展望多相微流控器件的研究方向及应用前景。     

具有切应力梯度的平行平板流动腔的构造

在近年来关于流体切应力与细胞力学行为之间关系的研究中,流体切应力梯度被认为是诱发动脉粥样硬化和内膜增生的重要因素之一.本文探讨如何利用常用的离体细胞力学实验工具--平行平板流动腔模拟具有梯度的定常流切应力环境.结果表明,根据Hele-Shaw流的原理和常用复势W(Z)=AZn(n＞1)的特性,可构造出具有各种切应力梯度分布的流动腔.与其它模拟切应力梯度的方法比较,本文的方法更加简洁、可行.     

一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型

骨组织受力变形后其内部液体就会流动,同时在其微观结构——骨单元壁中扩散,并进一步产生一系列与骨液流动相关的物理效应,如流体剪切应力、流动电位等,这些物理效应被细胞感知并做出破骨或成骨等反应,来使骨适应外部载荷环境.鉴于骨组织产生的内部液体流动很难实验测定,理论模拟是目前的主要研究手段.基于骨单元的多孔弹性性质建立了骨小管内部液体的流动模型,该模型将骨单元所受的外部载荷与骨小管内部液体的压力、流速、流量和切应力联系起来,并进一步可以研究其力传导与力电传导机制.骨小管模型的建立分别基于中空和考虑哈弗液体的骨单元模型,并考虑了骨单元外壁的弹性约束和刚性位移约束两种边界条件.最终得到骨单元在外部轴向载荷作用下,骨小管内部液体的流量及流体切应力的解析解.结果表明:骨小管中的液体流量与流体切应力都正比于应变载荷幅值和频率,并由载荷的应变率决定.因此应变率可以作为控制流量和流体切应力的一种生理载荷因素.流量随着骨小管半径的增大而非线性增大,而流体切应力则随着骨小管半径的增大而线性增大.此外,在相同的载荷下,含哈弗液体的骨单元的模型中,骨小管中液体的流量和切应力均大于中空骨单元模型.     

平行平板流动腔的数值优化设计

平行平板流动腔系统是研究切应力对细胞影响的体外实验装置之一。前期研究发现,流动腔的高度存在一个最佳高度,使用这个高度可以有效地减小或避免由于装配所引起的高度误差对切应力的影响。为了获得这一最佳高度,本文使用数值方法研究了平行平板流动腔的几何尺寸、流体粘度与集中液阻之间的关系,并拟合得到了集中液阻的函数关系式。利用液阻关系式和切应力计算公式,求得了对底部切应力影响最小的最佳高度的表达式。同时,研究还发现,对于相同的底部切应力,当高度取最佳高度时,所需的入(出)口压差最小。这样在流动腔底部沿轴向的压力梯度也就越小,沿轴向不同位置之间的压力差别也越小,这将有利于细胞力学实验结果之间的比较。     

非线性流体-刚体结构相互作用问题的一种数值模拟方法

给出了一种模拟非线性流体-刚体结构相互作用问题的数值方法.文中假定结构承受大的刚体运动,流体流动受非线性有粘或无粘的场方程支配并满足自由表面和两相耦合界面上的非线性边界条件,利用任意拉氏-欧氏(ALE)网格系统构造了数值模型.采用所探讨的多块数值格式,允许可动重造网格间有独立的相对运动,从而克服了流体网格与固体大运动匹配的困难.通过数值离散化,导出了描述非线性流固耦合动力学的数值方程并应用耦合迭代过程对其作了求解.通过算例,说明了所提出数值模型的应用.     

一种基于外腔式法布里-珀罗干涉仪的光纤加速度计

研制了一种基于外腔式法布里-珀罗(F-P)干涉仪的光纤加速度计,理论分析了影响标度因数的结构参数,并利用有限元分析软件ANSYS对该结构进行仿真分析。F-P干涉仪由光纤端面和固定在弹性膜片上的反射镜组成,膜片上加工两圈花瓣状分布的弧形阵列。这种F-P干涉仪结构标度因数高、横向串扰小。经实验测定,该光纤加速度计标度因数为155.48 rad/g,与仿真分析结果基本吻合,交叉灵敏度仅为4.87×10~(-2) rad/g,分辨率为100mg,零位稳定性为125mg,提出了进一步提高性能的方法。     

INTERNAL SOLITARY WAVE LOADS EXPERIMENTS AND ITS THEORETICAL MODEL FOR A CYLINDRICAL STRUCTURE

在大型重力式密度分层水槽中, 对内孤立波与圆柱型结构的相互作用特性开展了系列实验. 基于两层流体中 内孤立波的KdV,eKdV和MCC理论, 建立了圆柱型结构内孤立波载荷的理论预报模型, 给出了该载荷理论预报模型中3类内孤立波理论的适用性条件.研究表明, 圆柱型结构内孤立波水平载荷包括水平Froude-Krylov力、附加质量力和拖曳力3个部分, 可以由Morison公式计算, 而内孤立波垂向载荷主要为垂向Froude-Krylov力, 可以由内孤立波诱导动压力计算.系列实验结果表明, 附加质量系数可以取为常数1.0, 拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系, 而且基于理论预报模型的数值结果与系列实验结果吻合.     

套管内金属管爆炸挤压运动的一维不可压流体模型

本文采用一维不可压流体动力模型，考虑爆炸产物轴向飞散引起的稀疏波的影响，求解金属管在套管内的爆炸挤压运动，计算结果与实测相当一致，表明该模型在管挤压运动直至中期阶段是有效的。     

内压和自重作用下浅埋管道围岩的应力解1)

对于浅埋管道而言,土体自重对其围岩应力场影响不可忽略。基于Verruijt提供浅埋洞室问题求解基本方法,同时考虑自重和内压作用,研究了半无限域中圆形孔洞的围岩应力问题。利用复变函数、保角映射和傅里叶变换等方法,推导了考虑围岩自重和内压作用下半无限域中孔洞应力的解析解,分析了内压和孔洞大小及径深比对考虑自重作用下的围岩应力的影响,为管道设计和施工安全提供了理论依据。