微通道内红细胞输运过程的实验研究
为开展微通道内红细胞输运过程的实验研究，本文自主设计并搭建了一套关于红细胞流变特性的定量可视化实验装置，其中包括光学显微镜、CMOS高速相机、工作站、精密注射泵、LED冷光源及PDMS微通道。利用显微标定板获得相机单个像素的物理尺寸，在此基础上开展了红细胞群在微通道中运动（轨迹、速度、加速度及受力）统计规律与扩散过程的实验研究。主要研究工作如下： 首先，选用PDMS材料制作微流控芯片，设计加工了模拟毛细血管管网的微通道，主要针对其中宽度为70μm，深度为5μm的长直微通道内红细胞开展实验研究。实验中，采用高速CMOS相机采集红细胞瞬时运动图像，利用滤波技术对静态红细胞图像进行了平滑处理，借助直方图均衡化处理增强局部对比度，基于Canny算子对图像进行初步的边缘检测，进一步采用数学形态中的腐蚀和膨胀算法对二值图像进行优化，最终得到能够真实反映红细胞轮廓的二值图像，为运动细胞图像的准确识别奠定了基础。 在图像处理基础上，计算了流向初始位置相近的10个红细胞的质心坐标，根据质心坐标的时间序列得到红细胞运动位移轨迹；利用向前差分法获得细胞的速度、加速度以及受力的时间演化，并由此绘制了概率分布函数曲线；分别定义了变形率D和K来表征其变形特性；根据细胞运动中绕自身长轴的旋转统计了其旋转角度的概率分布。实验结果表明，细胞悬浮液压力驱动流中的细胞运动和受力是一类典型的随机过程，表现为细胞沿主流方向运动过程中叠加了展向的无规则漂移。在输入流量为5μl/min时，两个方向的速度量级为μm/s；利用合力测量值计算了两个分量的无量纲合力系数，均落在半径R约为400的合力系数圆内，从四个象限的分布上来看，合力表现为动力和阻力均匀分布的规律；细胞变形率D和K均值分别在0.056～0.08和0.944~1.033之间，总体变形量不大；转动角度的概率分布覆盖了 0o~180o，大于 10%的优势概率区间位于0o~90o，概率峰值出现在55o，其值约为18%。转动角概率分布可能与每个细胞所处位置、周围细胞的数密度以及流体剪切等共同作用有关。 由于红细胞的输运为典型随机过程，对其扩散性质进行研究具有重要的理论和实际意义。本文建立了红细胞主动扩散过程的郎之万方程，结合实验统计数据，针对微通道内红细胞运动过程中的扩散过程进行了半解析分析，给出了均方位移与时间之间的半解析关系式（简称理论解），并与实验结果进行了比对。结果表明，理论与实验均方位移分别呈现出弱非线性和强非线性。由于半解析分析采取了一定简化，包括来流速度、粘性系数以及相同的随机力项，所获10 个典型红细胞的理论曲线基本重合。由于周围细胞数密度的差异，不同细胞的实验曲线偏差较大，但实验点基本落入二次拟合曲线上。将所有细胞理论解和实验解分别进行平均，所获平均结果虽然存在一定偏差但总体趋势一致，实验解和理论解得到了相互验证。类比二维布朗运动的爱因斯坦公式，计算了红细胞主动扩散过程的名义扩散系数，建立了名义扩散系数与时间的函数关系，结果表明红细胞的主动扩散过程具有超扩散特征。 最后，针对芯片毛细血管管网中的红细胞流变特性进行了初步的实验研究，观察并分析了单细胞颗粒在弯管道中的轨迹及细胞颗粒在复杂毛细管网中的变形情况，实验结果与已有的实验吻合较好。
红细胞;微通道;图像处理;细胞运动;细胞变形;扩散现象;微流控芯片
中国计量大学
硕士
仪器仪表工程
王昊利;林景殿
2018
中文
TP391.41
2019-04-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）