一种基于COMSOL仿真软件的细胞筛选方法

一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法
技术领域
1.本发明涉及医学检测技术领域，具体涉及一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，包括：
6.通过comsol软件构建细胞筛选模型；
7.采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞。
8.优选地，通过comsol软件构建细胞筛选模型包括：
9.选择材料属性；
10.构建物理场；
11.构建控制方程；
12.构建边界条件；
13.求解控制方程。
14.优选地，选择材料属性包括：
15.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。
16.优选地，构建物理场包括：
17.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。
18.优选地，构建控制方程包括：
19.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:
[0020][0021][0022]
其中u
fluid
表示流体的速度矢量，ρ
fluid
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；
[0023]
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：
[0024][0025]
其中ρ
solid
表示膜的密度，u
solid
表示janus细胞的位移矢量，fv为单位体积力，σ是应力张量；
[0026]
应力和弹性应变率之间的关系方程：
[0027][0028][0029]
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；
[0030]
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：
[0031]ufluid
＝vw[0032][0033]
σn＝γn
[0034][0035]
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。
[0036]
优选地，构建边界条件包括：
[0037]
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；
[0038]
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
×
10-2
μm；
[0039]
其余区域的最大单元大小为0.84μm，最小单元大小为0.012μm。
[0040]
优选地，求解控制方程包括：
[0041]
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；
[0042]
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。
[0043]
优选地，采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：
[0044]
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。
[0045]
优选地，采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：
[0046]
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。
[0047]
优选地，采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：
[0048]
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。
[0049]
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。
附图说明
[0050]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，标示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0051]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0052]
图1为本发明的流程图；
[0053]
图2为本发明的基于comsol软件建模的细胞筛选二维模型图；
[0054]
图3为本发明的细胞筛选模型的网格剖分图；
[0055]
图4为本发明的入口速度控制下细胞应变随位置的变化图；
[0056]
图5为本发明的细胞位移随入口速度的变化图；
[0057]
图6为本发明的细胞直径控制下细胞应变随位置的变化图；
[0058]
图7为本发明的细胞杨氏模量控制下细胞应变随位置的变化图。
具体实施方式
[0059]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0061]
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一种该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可
以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0062]
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；本发明采用仿真模拟能够对边界条件和参量细致划分并求解，有效预测细胞在微通道运动和过孔过程中的速度、压力和变形的变化，很好地通过速度和变形的关系观察细胞的过孔情况，进行有效的细胞筛选。
[0063]
一种基于comsol仿真软件的细胞筛选方法，如图1，包括：
[0064]
s100，通过comsol软件构建细胞筛选模型；
[0065]
s200，采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞。
[0066]
基于comsol multiphysics5.6软件构建细胞筛选的二维模型，确定物理场、控制方程、边界条件，剖分网格后进行求解；具体为：
[0067]
细胞与微通道的建模：一种基于comsol仿真软件的细胞筛选模型包括细胞和带孔隙的微通道，如图2所示。通过查阅毛细血管和红细胞的相关尺寸，该模型的尺寸大小设置为微米级，且微通道孔隙长为8μm，宽为6μm；细胞直径为6μm；模型尺寸均接近于真实体系。
[0068]
优选地，s100，通过comsol软件构建细胞筛选模型包括：
[0069]
s101，选择材料属性；
[0070]
s102，构建物理场；
[0071]
s103，构建控制方程；
[0072]
s104，构建边界条件；
[0073]
s105，求解控制方程。
[0074]
优选地，s101，选择材料属性包括：
[0075]
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。
[0076]
材料属性为：基于固体部分的细胞膜及层流部分的其他区域，细胞膜密度为1000kg/m3，泊松比为0.45，杨氏模量为100pa；细胞膜除外的矩形区域密度为1000kg/m3，动力黏度为0.005pa
·
s。
[0077]
优选地，s102，构建物理场包括：
[0078]
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。
[0079]
物理场基于细胞筛选模型的建模部分，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。
[0080]
优选地，s103，构建控制方程包括：
[0081]
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:
[0082]
[0083][0084]
其中u
fluid
表示流体的速度矢量，ρ
fluid
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；
[0085]
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：
[0086][0087]
其中ρ
solid
表示膜的密度，u
solid
表示janus细胞的位移矢量，fv为单位体积力，σ是应力张量；
[0088]
应力和弹性应变率之间的关系方程：
[0089][0090][0091]
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；
[0092]
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：
[0093]ufluid
＝vw[0094][0095]
σn＝γn
[0096][0097]
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。
[0098]
优选地，s104，构建边界条件包括：
[0099]
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；
[0100]
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
×
10-2
μm；
[0101]
其余区域的最大单元大小为0.84μm，最小单元大小为0.012μm。
[0102]
采用非结构化的自由三角形网格进行网格剖分，网格剖分的细分程度如图3所示，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
×
10-2
μm，其他区域略大，其中最大单元大小为0.84μm，最小单元大小为0.012μm，合理分配网格单元大小有利于计算精度的提高和模型更好地收敛。
[0103]
优选地，s105，求解控制方程包括：
[0104]
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；
[0105]
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。
[0106]
优选地，s200，采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：
[0107]
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。
[0108]
在入口速度控制下细胞应变随位置的变化关系，如图4，5所示。当杨氏模量e＝100pa，求解时间t＝3s时，得到细胞在该条件下的最大速度，其中两条虚线所表示的区域为微通道孔隙的横坐标位置(x＝-1～-7μm)。由此可见，细胞顺利过孔的最小速度为5μm/s，最大速度为30μm/s，当入口速度大于30μm/s时，在所述条件下模型不收敛。因此，可以通过不同的入口速度对细胞进行筛选。此外，还模拟了入口速度v＝1-30μm/s时细胞的位移量，如图4所示。所述最小速度v＝5μm/s是细胞位移量与入口速度呈线性关系的转折点，也是在所述条件下细胞过孔筛选的临界值。
[0109]
基于软件求解结果及相应的数据处理，分析入口速度控制下的细胞筛选机制；具体为：
[0110]
表1.入口速度控制下细胞位移与最大应变的关系
[0111][0112]
优选地，s200，采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：
[0113]
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。
[0114]
在细胞直径控制下细胞应变随位置的变化关系，如图6所示。当入口速度v＝10μm/s，杨氏模量e＝100pa，求解时间t＝3s时，细胞直径分为：细胞直径d小于孔隙宽度l，取d＝4μm；d＝l，取d＝6μm；d》l，取d＝8μm、10μm；所述细胞直径在所述条件下计算模拟得到的最大值为d＝10μm，所述四种直径的细胞在所述条件下都能通过孔隙，变形量和位移量却不同。
[0115]
基于软件求解结果及相应的数据处理，分析细胞直径控制下的细胞筛选机制；具体为：
[0116]
表2.细胞直径控制下细胞位移与最大应变的关系
[0117][0118]
优选地，s200采用细胞筛选模型根据细胞参数筛选细胞包括：
[0119]
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。
[0120]
在细胞杨氏模量控制下细胞应变随位置的变化关系，如图7所示。当入口速度v＝10μm/s，细胞直径d＝6μm，求解时间t＝3s时，数值模拟得出细胞过孔的最大杨氏模量为40kpa。随着杨氏模量的不断增大，细胞的变形程度越来越小，若基于该条件下细胞的尺寸
稍微增大，则细胞很难通过孔隙，完成杨氏模量较大的细胞的分离筛选。基于正常细胞和病变细胞的杨氏模量有所不同，一般情况下，病变细胞的硬度大于正常细胞，杨氏模量的增加提高了细胞的过孔难度。
[0121]
基于软件求解结果及相应的数据处理，分析杨氏模量控制下的细胞筛选机制；具体为：
[0122]
表3.细胞杨氏模量控制下细胞位移与最大应变的关系
[0123][0124]
结果表明，入口速度、细胞直径和杨氏模量是影响细胞位移和变形的重要因素，同时通过对三者进行变量控制，对细胞的分离筛选程度更加细致化，直观的模拟结果对真实体系下的分离筛选进行有效预测。其中基于病变细胞与正常细胞杨氏模量和大小的差异，利用入口速度来控制细胞的过孔行为，通过减小入口速度分离筛选病变细胞。
[0125]
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。
[0126]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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：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。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：选择材料属性；构建物理场；构建控制方程；构建边界条件；求解控制方程。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：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。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：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。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：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:量守恒方程:其中u
fluid
表示流体的速度矢量，ρ
fluid
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；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：其中ρ
solid
表示膜的密度，u
solid
表示janus细胞的位移矢量，f
v
为单位体积力，σ是应力张量；应力和弹性应变率之间的关系方程：应力和弹性应变率之间的关系方程：
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；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：u
fluid
＝v
w
σn＝γn其中v
w
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。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：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；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
×
10-2
μm；其余区域的最大单元大小为0.84μm，最小单元大小为0.012μm。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：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；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。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：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。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：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。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：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。

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。实现有效的细胞筛选。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：2023.06.12
技术公布日：2023/9/6