Numerical modelling of microflow and μPIV measurementin microfluidic cell culture device

• Autorzy: Loska Michał

Warianty tytułu

PL

Modelowanie numeryczne mikroprzepływu i pomiar μPIV w mikroprzepływowej hodowli komórek

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Microfluidics is a relatively young field of study and production of microfluidic devices still has roomfor improvement. Microfluidic devices can be found in many applications, especially in biology due toimmense capabilities to mimic physiological conditions of a living organism. To make the productionmore convenient and predict the conditions in designed microdevice CFD modelling can be used. Itallows predicting, among the others, flow pattern through microchannels and thermal conditions. It cansave expensive and time-consuming trial and error method in microdevice prototyping as a modificationof geometry and working conditions is much simpler in CFD modelling. In this work construction of the CFD model of flow through microfluidic cell culture device is presented. To verify the CFD modelan analytical solution was used. The CFD model results were very close to analytical ones, the averagerelative difference between the flow velocity was equal to 2.57%. Analysis of flow field results indicatedpossible improvement of medicine transport to cell culture chambers. The attempt to use simplified μPIV measurement was also a part of the research. These results were compared to the analytical model, the average relative error was equal to 34.55%. The main purpose of measurement attempt was to gainexperience inμPIV measurement so the average relative error value was still tolerable. Thanks to this attempt, useful conclusions were drawn allowing for more accurate measurements in the future.

PL

Badania nad urządzeniami mikroprzepływowymi to stosunkowo młoda dziedzina nauki, a w produkcji urządzeń mikroprzepływowych wci ̨a ̇z jest miejsce na poprawę. Urządzenia mikroprzepływowe znajdują wiele zastosowań, zwłaszcza w biologii ze względu na ogromne możliwości w naśladowaniu warunków fizjologicznych ̇żywego organizmu. Aby ułatwić produkcję i przewidzieć warunki panujące w projektowanym mikrourządzeniu, można zastosować modelowanie CFD. Pozwala ono przewidzieć m.in. warunki przepływu przez mikrokanały oraz warunki termodynamiczne w nich panujące. Modelowanie CFD pozwala zaoszczędzić na kosztownej i czasochłonnej metodzie prób i błędów w produkcji mikrourządzeń, ponieważ ̇z modyfikacja geometrii i warunków pracy jest znacznie prostsza w modelowaniu CFD. W tej pracy przedstawiono konstrukcję modelu CFD przepływu przez mikroukład w systemie mikro przepływowej hodowli komórek. Aby zweryfikować model CFD, skonstruowano model analityczny. Wyniki modelu CFD były bardzo zbliżone do wyników analitycznych, ponieważ średnia względna różnica między profilami prędkości przepływu wynosiła 2,57%. Analiza wyników polowych wskazała na możliwą poprawę efektywności dostarczenia leku do komór hodowlanych. Opracowanie wyników próbnego pomiaru μPIV było równie ̇z częścią tego badania. Po opracowaniu wyników, porównano je z wynikami modelu analitycznego - średni błąd względny wyniósł 34,55%. Głównym celem próbnego pomiaru było zdobycie doświadczenia w pomiarze μPIV, więc średnia wartość błędu względnego była nadal dopuszczalna. Dzięki tej próbie wyciągnięto użyteczne wnioski pozwalające na dokładniejsze pomiary w przyszłości.

Słowa kluczowe

EN

microflow; CFD; microfluidics; cell culture; μPIV

PL

mikroprzepływy; CFD; mikrourządzenia; hodowla komórek; μPIV

• Wydawca: Instytut Techniki Cieplnej, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Śląska
• Czasopismo: Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 6
• Strony: 55--72
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Loska Michał

• Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska

Bibliografia

• [1] Y. A. Çengel, A. J. Ghajar,Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications, 5th Ed.,McGraw-Hill Education, New York (2015).
• [2] P. J. Hung, P. J. Lee, P. Sabounchi, R. Lin, L. P. Lee,Continuous perfusion microfluidic cell culturearray for high-throughput cell-based assays, Biotechnology and Bioengineering,89(1), (2005),pp. 1–8.
• [3] R. Gómez-Sjöberg, A. A. Leyrat, D. M. Pirone, C. S. Chen, S. R. Quake,Versatile, Fully Automated,Microfluidic Cell Culture System, Analytical Chemistry,79(22), (2007), pp. 8557–8563.
• [4] F. M. White,Viscous Fluid Flow, 3rd Ed., McGraw-Hill, New York (2006).
• [5] R. Lima, S. Wada, K. ichi Tsubota, T. Yamaguchi,Confocal micro-PIV measurements of three-dimensional profiles of cell suspension flow in a square microchannel, Measurement Science andTechnology,17(4), (2006), pp. 797–808.
• [6] C. D. Meinhart, S. T. Wereley, J. G. Santiago,PIV measurements of a microchannel flow, Experi-ments in Fluids,27, (1999), pp. 414–419.
• [7] S. Devasenathipathy, J.G. Santiago, S.T. Wereley, C.D. Meinhart, K. Takehara,Particle imagingtechniques for microfabricated fluidic systems, Experiments in Fluids,34, (2003), pp. 504–514.
• [8] K. S. Breuer (Ed.),Microscale Diagnostic Techniques, 1st Ed., Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg(2005).
• [9] ASME V&V 20-2009 Standard for Verification and Validation in Computational Fluid Dynamicsand Heat Transfer, The American Society of Mechanical Engineers, New York (2009).
• [10] P. J. Roache,Perspective: A method for uniform reporting of grid refinement studies, Journal of Fluids Engineering,116(3), (1994), pp. 405–413.
• [11] VDI Gesellschaft (Ed.),VDI Heat Atlas, 2nd Ed., Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2010).
• [12] W. E. Price, K. A. Trickett, R. K. Kenneth,Association of caffeine in aqueous solution. Effects on caffeine intradiffusion, Journal of the Chemical Society,85(10), (1989), pp. 3281–3288.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).