一种基于COMSOL仿真软件的细胞筛选方法

本发明涉及医学检测，具体涉及一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法。

背景技术：

1、细胞筛选的数值模拟是细胞筛选的基础研究，也是诸多生物反应器的研究与应用的重要部分，利用简单模型实现高效筛选是细胞筛选的难点问题。目前细胞筛选的主要方式有：生物标志物筛选、滤过装置筛选等，生物标志物主要是对具有病理状态的细胞进行成分分析、标记，通过生物标志物的筛选，能够对一些疾病尤其是癌症的早期诊断与分期；滤过装置是在细胞溶液通道上设置多层筛选滤膜，通过筛选滤膜可获得均一的细胞。

2、在细胞模型的数值模拟过程中，细胞的筛选变得易受控制，通过改变变量赋予细胞穿过孔隙的能力，通常会涉及到层流、固体力学、流固耦合等，这些物理场的设置影响着细胞在微通道中的运动。对细胞膜指定相应的速度和变形探针，以反映不同速度下，在每个运动位置的细胞的变形量，在实验过程中，对微通道入口处的速度设置很难细分或者呈现不稳定的状态，细胞变形量的测量也会存在偏差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，该方法能够基于细胞在微通道的运动和过孔过程中，在二维模型的基础上，构建细胞位置、速度、及其变形情况的数值模拟方法，从而实现有效的细胞筛选。

2、一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，包括：

3、通过comsol软件构建细胞筛选模型；

4、采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞。

5、优选地，通过comsol软件构建细胞筛选模型包括：

6、选择材料属性；

7、构建物理场；

8、构建控制方程；

9、构建边界条件；

10、求解控制方程。

11、优选地，选择材料属性包括：

12、输入细胞与血管的几何尺寸、大小，在comsol软件中建立细胞与带狭小孔隙的微通道的二维模型。

13、优选地，构建物理场包括：

14、将细胞膜设置为固体力学场，细胞膜以外的区域设置为层流场，流体与细胞膜发生相互作用的边界处形成流固耦合的物理场。

15、优选地，构建控制方程包括：

16、细胞与微通道形成的流场由纳维-斯托克斯方程来表征，层流部分的连续性方程和动量守恒方程:

17、

18、

19、其中ufluid表示流体的速度矢量，ρfluid是流体的密度，t表示时间，是梯度运算符，是散度运算符，i为单位矩阵，f为外力，(-pi)这一部分表示出口一侧的压强，基于右侧出口的边界条件，那么：(-pi)＝0，μ是流体的动力黏度，t表示对矢量或矩阵的转置操作；

20、采用kelvin-voigt模型来表征细胞膜的粘弹性，细胞的运动和变形方程：

21、

22、其中ρsolid表示膜的密度，usolid表示janus细胞的位移矢量，fv为单位体积力，σ是应力张量；

23、应力和弹性应变率之间的关系方程：

24、

25、

26、其中g表示剪切模量，ε是细胞膜的应变张量，η＝0.022pa·s为细胞膜的黏度，ν为泊松比，e是杨氏模量；

27、流体对膜的作用和膜对流体的反作用力的关系由如下方程来描述：

28、ufluid＝vw

29、

30、σn＝γn

31、

32、其中vw为固体的速度，n为流固边界处的单位法向量，γ为流体对固体边界施加的总力。

33、优选地，构建边界条件包括：

34、泊肃叶流从微通道的左侧以速度的形式流入，即入口速度，右侧设置为压力为0的出口，形成压强差，从而驱动细胞通过微通道孔隙；

35、剖分网格的方法为采用非结构化的自由三角形网格：细胞膜与孔隙处的网格单元最小，其中最大单元大小为0.39μm，最小单元大小为0.45×10-2μm；

36、其余区域的最大单元大小为0.84μm，最小单元大小为0.012μm。

37、优选地，求解控制方程包括：

38、根据前处理利用瞬态求解器、设置时间步长进行求解，基于动网格的设置，在求解过程中采用自动重新划分网格；

39、通过数值模拟得到不同入口速度、细胞直径或杨氏模量下细胞的过孔情况，分析不同变量影响下的过孔行为。

40、优选地，采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：

41、在预设的外部条件和边界下，根据细胞通过微通道孔隙的入口速度筛选细胞。

42、优选地，采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：

43、在细胞通过微通道孔隙的入口速度一定时，根据细胞直径筛选细胞。

44、优选地，采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：

45、在细胞通过微通道孔隙的入口速度一定时，根据细胞杨氏模量筛选细胞。

46、本发明基于软件的仿真模拟，通过控制入口速度等变量使细胞具有不同的变形过程和过孔行为，利用不同直径的细胞在一定速度下的过孔情况，观察细胞是否通过微通道孔隙，从而完成分离筛选，观察不同杨氏模量的细胞在一定速度下的过孔情况，有助于筛选病变细胞。将细胞在微通道中的运动模型化，让细胞的变形与过孔情况的判断变得简单，对细胞在真实体系中的运动和筛选能进行有效的预测。

技术特征：

1.一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，其特征在于，所述通过comsol软件构建细胞筛选模型包括：

3.根据权利要求2所述的一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，其特征在于，所述选择材料属性包括：

4.根据权利要求2所述的一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，其特征在于，所述构建物理场包括：

5.根据权利要求2所述的一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，其特征在于，所述构建控制方程包括：

6.根据权利要求2所述的一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，其特征在于，所述构建边界条件包括：

7.根据权利要求2所述的一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，其特征在于，所述求解控制方程包括：

8.根据权利要求1所述的一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，其特征在于，所述采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：

9.根据权利要求1所述的一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，其特征在于，所述采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：

10.根据权利要求1所述的一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，其特征在于，所述采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：

技术总结
本发明提供一种基于COMSOL仿真软件的细胞筛选方法，该方法包括：通过COMSOL软件构建细胞筛选模型；采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞。本发明能够基于细胞在微通道的运动和过孔过程中，在二维模型的基础上，构建细胞位置、速度、及其变形情况的数值模拟方法，从而实现有效的细胞筛选。

技术研发人员：石彤非,李彪恒,丁明明,陈继忠,李旭,阎志超
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15