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.

1. Burklund A., Tadimety A., Nie Y., Hao N. et al. Advances in diagnostic microfluidics // Advances in clinical chemistry. 2020. V. 95. P. 1–72.

2. Cui P., Wang S. Application of microfluidic chip technology in pharmaceutical analysis: A review // Journal of pharmaceutical analysis. 2019. V. 9. №. 4. P. 238–247.

3. Campana O., Wlodkowic D. The undiscovered country: Ecotoxicology meets microfluidics // Sensors and Actuators B: Chemical. 2018. V. 257. P. 692–704.

4. Li M.S., Wong H.L., Ip Y.L., Peng Z. et al. Current and Future Perspectives on Microfluidic Tear Analytic Devices // ACS sensors. 2022. V. 7. №. 5. P. 1300–1314.

5. Liu Y., Yang G., Hui Y., Ranaweera S. et al. Microfluidic nanoparticles for drug delivery // Small. 2022. V. 18. №. 36. P. 2106580.

6. Pattanayak P. Singh S.K., Gulati M., Vishwas S. et al. Microfluidic chips: recent advances, critical strategies in design, applications and future perspectives // Microfluidics and nanofluidics. 2021. V. 25. P. 1–28.

7. Narayanamurthy V. Jeroish Z.E., Bhuvaneshwari K.S., Bayat P. et al. Advances in passively driven microfluidics and lab-on-chip devices: A comprehensive literature review and patent analysis // RSC advances. 2020. V. 10. №. 20. P. 11652–11680.

8. Nielsen J.B., Hanson R.L., Almughamsi H.M., Pang C. et al. Microfluidics: innovations in materials and their fabrication and functionalization // Analytical chemistry. 2019. V. 92. №. 1. P. 150–168.

9. Tang T., Yuan Y., Yalikun Y., Hosokawa Y. et al. Glass based micro total analysis systems: Materials, fabrication methods, and applications // Sensors and Actuators B: Chemical. 2021. V. 339. P. 129859.

10. Raj P.M., Barbe L., Andersson M., Moreira M.D.A. et al. Fabrication and characterisation of a silicon-borosilicate glass microfluidic device for synchrotron-based hard X-ray spectroscopy studies // RSC advances. 2021. V. 11. №. 47. P. 29859–29869.

11. Zhang Z., Pan J., Tang Y., Xu Y. et al. Optical micro/nanofibre embedded soft film enables multifunctional flow sensing in microfluidic chips // Lab on a Chip. 2020. V. 20. №. 14. P. 2572–2579.

12. Guo M., Lu Y., Gan H. Experimental study on micro-grinding and flow characteristics of quartz glass with micro-channel // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2021. V. 2044. №. 1. P. 012135.

13. Scott S.M., Ali Z. Fabrication methods for microfluidic devices: An overview // Micromachines. 2021. V. 12. №. 3. P. 319.

14. Reyes D.R., van Heeren H., Guha S., Herbertson L. et al. Accelerating innovation and commercialization through standardization of microfluidic-based medical devices // Lab on a Chip. 2021. V. 21. №. 1. P. 9–21.

15. Ma X., Li R., Jin Z., Fan Y. et al. Injection molding and characterization of PMMA-based microfluidic devices // Microsystem Technologies. 2020. V. 26. P. 1317–1324.

16. Agha A., Waheed W., Alamoodi N., Mathew B. et al. A review of cyclic olefin copolymer applications in microfluidics and microdevices // Macromolecular Materials and Engineering. 2022. V. 307. №. 8. P. 2200053.

17. Raj M K., Chakraborty S. PDMS microfluidics: A mini review // Journal of Applied Polymer Science. 2020. V. 137. №. 27. P. 48958.

18. Costa Junior J.M., Naveira-Cotta C.P., de Moraes D.B., Inforcatti Neto et al. Innovative metallic microfluidic device for intensified biodiesel production // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2019. V. 59. №. 1. P. 389–398.

19. Bhatti M.M., Marin M., Zeeshan A., Abdelsalam S.I. Recent trends in computational fluid dynamics // Frontiers in Physics. 2020. V. 8. P. 593111.

20. Einarsrud K.E., Loomba V., Olsen J.E. Applied Computational Fluid Dynamics (CFD) // Processes. 2023. V. 11. №. 2. P. 461.

21. Inamdar N.K., Griffith L.G., Borenstein J.T. Transport and shear in a microfluidic membrane bilayer device for cell culture // Biomicrofluidics. 2011. V. 5. №. 2. P. 022213.

22. Wang F., Tarkkonen K., Nieminen Pihala V., Nagano K. et al. Mesenchymal cell derived Juxtacrine Wnt1 signaling regulates osteoblast activity and osteoclast differentiation // Journal of Bone and Mineral Research. 2019. V. 34. №. 6. P. 1129–1142.