аспирант, кафедра химического и фармацевтического инжиниринга, Миусская пл., 9, г. Москва, 125047, Россия
graduate student, chemical and pharmaceutical engineering department, Miusskaya sq., 9, Moscow, 125047, Russia
к.т.н., доцент, кафедра химического и фармацевтического инжиниринга, Миусская пл., 9, г. Москва, 125047, Россия
Cand. Sci. (Engin.), associate professor, chemical and pharmaceutical engineering department, Miusskaya sq., 9, Moscow, 125047, Russia
к.т.н., директор департамента научно-технической политики, Миусская пл., 9, г. Москва, 125047, Россия
Cand. Sci. (Engin.), director of sсience and technical policy, Miusskaya sq., 9, Moscow, 125047, Russia
д.т.н., профессор, заведующий кафедрой, кафедра химического и фармацевтического инжиниринга, Миусская пл., 9, г. Москва, 125047, Россия
Dr. Sci. (Engin.), professor, head of department, chemical and pharmaceutical engineering department, Miusskaya sq., 9, Moscow, 125047, Russia
Микрофлюидные технологии, получившие название «lab on a chip», основаны на работе с небольшим количеством потока жидкости, порядков микро- и нанолитра. Это определяет преимущества их применения по сравнению с объёмными устройствами, а именно возможность в разы снизить расходы реагентов, добиться более точных результатов исследования и безопаснее проводить эксперименты. Математическое моделирование, представляющее собой процесс исследования объекта по его модели, которая является неким аналогом и заменяет объект в ходе исследования, позволяет точно описать процесс и подобрать условия его проведения. Вычислительная гидродинамика (CFD) включает в себя численные методы решения систем уравнений с начальными и граничными условиями (или краевых задач), которые описывают гидродинамические и массообменные процессы и которые в силу своей сложности, как правило, не позволяют получить решение аналитически. Возможность использования данных численных методов представлена в коммерческом пакете программ ANSYS Fluent. С помощью данного программного пакета было проведено математическое моделирование двухканального микрофлюидного элемента, который был использован для культивирования мезенхимальных стволовых клеток, поскольку это одна из актуальных задач биотехнологии в настоящее время. В данной работе были изучены процесс транспорта питательного вещества к клеткам через пористую мембрану, а также поведение потоков питательной среды в каналах устройства. Приведено математическое описание транспорта кислорода в виде систем уравнений с начальными и граничными условиями, которые учитывают проницаемость кислорода через мембрану и кинетику его потребления клетками. Также были выведены уравнения, описывающие динамику потока жидкости, движущегося в каналах микрофлюидного устройства и проходящего через мембрану. Приведены результаты 15 вариантов моделирования гидродинамического режима устройства. Разработанная модель позволяет подбирать оптимальный диапазон рабочих параметров для культивирования различных типов клеток.
Microfluidic technologies, called "lab on a chip", are based on working with a small amount of liquid flow, on the order of micro- and nanoliters. This determines the advantages of their use in comparison with volumetric devices, namely, the ability to significantly reduce the cost of reagents, achieve more accurate research results, and make experiments safer. The mathematical modeling, that is a process of researching an object according to its model which is a kind of analogue and replaces it during the research, allows you to accurately describe the process and select the its conditions. Computational fluid dynamics (CFD) includes the numerical methods for solving systems of equations with initial and boundary conditions (or boundary value problems) that describe hydrodynamic and mass transfer processes and that usually do not allow you to get a solution analytically because of their complexity. The possibility of using these numerical methods is presented in the ANSYS Fluent commercial software package. Using this software package the mathematical modeling of a two-channel microfluidic element was carried out, which was used for the cultivation of mesenchymal stem cells, because it is one of the actual problem of biotechnology now. In this work, the process of transport of nutrient to cells through a porous membrane was studied, as well as the behavior of the flows of the nutrient medium in the channels of the device. A mathematical description of transport of oxygen in the form of systems of equations with initial and boundary conditions that consider the permeability of oxygen with the walls of the channels, the transfer of substance through the membrane and the kinetics of its consumption by cells is given. The equations were also derived that describe the dynamics of the fluid flow moving in the channels of the microfluidic device and passing through the membrane. The results of 15 options for modeling the hydrodynamic regime of the device are presented. The developed model makes it possible to select the optimal range of operating parameters for culturing various types of cells.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.