Numerical investigation of inertial focusing of micro andnanoparticles in curvilinear microchannels

Abstract

Recently, microfluidic systems have been preferred more than conventional methods due to their ease of production, economic advantages, high precision processing capabilities and ease of operation. These systems are in a situation where many disciplines such as physics, chemistry and engineering are intertwined. Microfluidic systems aim to provide manipulation of fluids moving in microchannels and to control the flow field. With the provision of this control, important developments are experienced in fields such as biomedical engineering and medicine. As an important area, there have been serious improvements in the separation of particles of different diameters in microfluidic systems recently. In the studies carried out, particles of different diameters are sent into the microchannel through from source (like a pump) and can be collected in separate beams from the channel exit. This has become an important step in the early diagnosis of deadly diseases such as cancer. The concept of separating particles of different diameters from each other in the microfluidic systems has accelerated with the developments in Lab on a Chip (LoC) and MEMS systems. Many different mechanisms have been developed for the separation of particles. Separation of particles in the microfluidic systems can be achieved either by active separation techniques, where external forces act, or passive separation techniques, where an external force is not used. In active separation, many different sources such as electrical systems, sound, optics can be used to create an external force. On the other hand, passive separation techniques use dynamics within the microchannel to separate particles. Inertial focusing, which is an important area in passive focusing, still continues to develop. The logic of inertial focusing is that forces acting on a particle moving in a fluid, either from flow, from interaction with the walls of the microchannel, or from effects at the molecular level. The most important of these forces is the lift force, which directs the particle to a certain equilibrium position. Lift force is divided into two as wall interacting lift force and shear stress lift force. The most important difference of these forces emerges when determining the equilibrium position of the particles. The lift force arising from the wall interaction pushes the particles towards the center, while the shear stress lift force directs the particles from the center towards the walls. As a result, when these forces reach equilibrium, the equilibrium position of the particle is determined. The magnitude of these forces is highly dependent on the particle diameter, so they cause the particles with different diameters to line up in different equilibrium positions, thus allowing the particles to be separated from each other. In inertial focusing, the addition of curvature to the microchannels adds a secondary effect to the flow. This phenomenon is due to the formation of eddies in the curved regions within the channel. This flow effect also causes a force called the Dean force to be added to the particles. In the studies carried out, it was observed that the focusing mechanisms of the particles improved thanks to this effect. Microchannel geometry is an important parameter that affects the mentioned forces. By changing the geometry and dimensions, it is possible to design a particle separation mechanisms that works with higher efficiency. In this context, different microchannel designs such as straight microchannel, spiral microchannel, serpentine microchannel have been studied, and detailed studies have been carried out on these effects. Studies in the field of separation of microparticles are mostly carried out using synthetic particles in order to better understand how blood and cancer cells interact with each other. Particle separation is affected by many different parameters such as flow rate, type of fluid used, particle diameter, as well as microchannel geometry. Therefore, it is very important to best understand the physics of inertial focusing in order to design the most efficient decomposition. In this study, the concept of inertial focusing is examined. Computational Fluid Dynamics (CFD) analyzes were performed on microchannels with different geometries, parametric analyzes affecting focusing were completed and the effects were examined. Within the scope of the study, flow and particle analyzes of the sunflower geometry obtained by adding serpentine regions to a conventional spiral microchannel geometry and the importance of this geometry were discussed.

Mikroakışkan sistemler; üretim kolaylığı, ekonomik avantajları, yüksek hassasiyette işlem kabiliyetleri ve çalışma kolaylığı gibi sebeplerle konvansiyonel metodlara göre son zamanlarda daha çok tercih edilmektedirler. Bu sistemler, fizik, kimya, mühendislik gibi birçok disiplinin iç içe geçtiği bir konuma sahiptir. Mikroakışkan sistemler, mikrokanallar içerisinde hareket eden akışkanların manipülasyonunu sağlamayı ve akış alanını kontrol etmeyi amaçlamaktadırlar. Bu kontrol sayesinde, biyomedikal, tıp gibi alanlarda önemli gelişmeler yaşanmaktadır. Önemli bir alan olarak, son zamanlarda mikroakışkan sistemler içerisinde farklı çaplardaki parçacıkların birbirinden ayrıştırılması konusunda ciddi iyileşmeler yaşanmaktadır. Gerçekleştirilen çalışmalarda, farklı çaplardaki parçacıklar mikrokanal içerisine bir kanaldan gönderilmekte ve kanal çıkışından ayrı huzmelerde toplanabilmektedir. Bu durum, kanser gibi ölümcül hastalıkların erken teşhisinde önemli bir yapıtaşı haline gelmiştir. Farklı çaplardaki parçacıkların mikroakışkan içerisinde birbirinden ayrılması kavramı, Çip Üzeri Laboratuvar (LoC) ve MEMS sistemlerindeki gelişmelerle birlikte ivme kazanmıştır. Parçacıkların ayrıştırılması için birçok farklı mekanizma geliştirilmiştir. Parçacıkların mikroakışkan sistem içerisinde ayrıştırılması, gerek dış kuvvetlerin etkidiği aktif ayrıştırma teknikleri ile gerekse de dış bir kuvvetin kullanılmadığı pasif ayrıştırma teknikleri ile sağlanabilmektedir. Aktif ayrıştırmada, dış kuvvetin yaratılabilmesi için elektrik, ses, optik gibi birçok farklı alan kullanılabilmektedir. Öte yandan, pasif ayrıştırma teknikleri ise parçacıkların ayrıştırılması için mikrokanal içerisindeki dinamikleri kullanmaktadır. Bu dinamikler, akıştan kaynaklanan kuvvetleri kapsamaktadır. Pasif ayrıştırmada önemli bir alan olan ataletsel odaklanma ise hala gelişimini sürdürmeye devam etmektedir. Hedef parçacığı tamamen mikrokanal karakteristik geometrisine ve içsel hidrodinamik etkiye dayanarak manipüle edebilen eylemsiz mikroakışkan teknolojisi; yüksek verim, basitlik, yüksek çözünürlük ve düşük maliyet gibi büyüleyici avantajları nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Pasif bir mikroakışkan teknolojisi olarak eylemsiz odaklanma, herhangi bir ekstra harici kuvvet alanı olmaksızın hedef parçacıkları sürekli ve yüksek akış hızında hassas bir şekilde odaklayabilir, ayırabilir, karıştırabilir veya tutabilir. Bu nedenle umut vericidir ve çok çeşitli endüstriyel, biyomedikal ve klinik uygulamalar için büyük bir potansiyele sahiptir. Ataletsel odaklanmanın mantığı, bir akışkan içerisinde hareket eden parçacığa gerek akıştan kaynaklanan gerekse mikrokanal cidarları ile etkileşimden kaynaklanan veya moleküler düzeyde etkilerden kaynaklanan kuvvetler etkimektedir. Bu kuvvetlerin en önemlisi, lift kuvveti diye de geçen ve parçacığı belli bir denge konumuna yönlendiren kuvvettir. Lift kuvveti, duvar etkileşimli lift kuvveti ve kayma gerilmesi lift kuvveti olarak ikiye ayrılmaktadır. Bu kuvvetlerin en önemli farkı ise, parçacıkların denge konumu belirlenirken ortaya çıkmaktadır. Duvar etkileşiminden kaynaklanan lift kuvveti, parçacıkları merkeze doğru iterken, kayma gerilmesi lift kuvveti ise parçacıkları merkezden duvarlara doğru yönlendirmektedirler. Netice olarak, bu kuvvetlerin dengeye ulaşması ile parçacığın denge konumu belirlenmiş olur. Bu kuvvetlerin büyüklüğü parçacık çapına oldukça bağlı olup, bu sebeple farklı çaplara sahip parçacıkların farklı denge konumlarında dizilmesine ve bu sayede parçacıkların birbirlerinden ayrıştırılabilmelerine sebep olmaktadırlar. Ataletsel odaklanmada, mikrokanallara eğrisellik eklenmesi ile birlikte akışa ikincil bir etki eklenmektedir. Bu fenomen, kanal içerisindeki kavisli bölgelerde girdapların oluşmasından kaynaklanmaktadır. Bu akış etkisi, aynı zamanda parçacıklara Dean kuvveti denilen bir kuvvetin eklenmesine sebep olmaktadır. Gerçekleştirilen çalışmalarda, bu etki sayesinde parçacıkların odaklanması mekanizmalarının iyileştiği görülmüştür. Ataletsel odaklanma, bu kuvvetler etkisiyle parçacıkların yüksek hassasiyette manipülasyonunu sağlayabilmektedir. Bu bağlamda, oldukça efektif bir şekilde biyomedikal ve tıp alanlarında da kullanılabilmektedir. Lift ve drag kuvvetlerinin kanal boyunca parçacığa etkimesi ile birlikte, mikrokanal içerisinde farklı çaplardaki parçacıkların farklı konumlara yönlendirilmeleri sağlanmaktadır. Bu sayede ise, farklı çaplardaki parçacıkların birbirlerinden ayrıştırılmaları sağlanabilmektedir. Bu durum ise, örneğin kanser hücrelerinin kan hücrelerinden ayrıştırılmaları gibi birçok önemli çalışma alanında kullanılabilmektedir. Gerçekleştirilen literatür araştırmalarında, bahsedilen çalışmalara birçok alanda rastlanmıştır. Bunlardan en önemlisi, yukarıda da bahsedildiği üzere kanser gibi ölümcül hastalıkların erken teşhisinde bu metodun kullanılmasıdır. Zira, özelikle kanser hastalığında erken teşhis oldukça hayati bir önem taşımaktadır ve bu hastalığın erken teşhis edilebilmesi ile birlikte tedavi başarı oranı da oldukça artabilmektedir. Bu bağlamda, kanser hücrelerinin kan hücrelerinden ayrıştırılabilmesi oldukça büyük bir öneme sahiptir. İşte bu noktada, ataletsel odaklanma konusu da yüksek verimli ayrıştırma sağlayabilmesi sebebiyle büyük bir önem kazanmaktadır. Bu sebeple, ataletsel odaklanma çalışmalarında verimin artırılması büyük bir önem kazanmaktadır. Bu sebeple, parçacık ayrıştırılmasına yönelik verimi etkileyen parametrelerin iyi anlaşılabilmesi son derece önemlidir. Mikrokanal geometrisi, bahsedilen kuvvetleri etkileyen önemli bir parametredir. Geometri ve boyutlar değiştirilerek daha yüksek verimde çalışan bir parçacık ayrıştırma mekanizması tasarlamak mümkündür. Bu bağlamda, düz mikrokanal, spiral mikrokanal, serpantin mikrokanal gibi farklı mikrokanal tasarımları üzerine çalışılmış, bu etkiler üzerinde detaylı araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Mikroparçacıkların ayrıştırılması alanında yapılan çalışmalar, çoğunlukla kan ve kanser hücrelerinin birbirleriyle nasıl etkileştiklerini daha iyi anlayabilmek amacıyla sentetik parçacıklar kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Parçacık ayrıştırılması, mikrokanal geometrisinde olduğu gibi, akış debisi, kullanılan akışkan tipi, parçacık çapı gibi birçok farklı parametreden etkilenmektedir. Bu sebeple, en verimli ayrıştırma tasarımını yapabilmek için ataletsel odaklanma fiziğini en iyi şekilde kavramak oldukça önemlidir. Bu odaklanma fiziğinin tam olarak anlaşılabilmesi ile, en yüksek verime sahip mikrokanalların tasarlanması da mümkün hale gelmektedir. Bu çalışmada, ataletsel odaklama kavramı incelenmiştir. Farklı geometrilerde mikrokanallar üzerine Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri gerçekleştirilmiş, odaklamayı etkileyen parametrik analizler tamamlanmış ve etkiler incelenmiştir. Çalışma kapsamında, ilk olarak tek bir eğrisel döngüye sahip mikrokanal üzerinde analizler gerçekleştirilerek parçacığa etkiyen kuvvetlerin tespiti ve değerlendirilmeleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma ile birlikte, aynı zamanda literatürde yer alan bir çalışma ile doğrulamalar da gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma ile birlikte, analiz modellerinin ve modelleme yaklaşımının doğruluğu test edilmiş ve geleeck çalışmalar adına ön bir simülasyon metodolojisi geliştirilmiştir. Bu bağlamda, analiz modellerine yukarıda bahsedilen lift kuvvetlerim ve drag kuvvetleri de parçacığa zamana ve parçacık koordinatına bağlı olarak etkiyecek şekilde eklenmiştir. Bu çalışmanın ardından, özellikle küçük çaplardaki parçacıkların odaklanma verimini artırabilmek adına mikrokanalın döngü sayısı artırılmıştır. Bununla birlikte, daha küçük çaplardaki parçacıkların da odaklanabilmesi sağlanmaya çalışılmıştır. Çalışma kapsamında, konvansiyonel bir spiral mikrokanal geometrisine serpantin bölgeler eklenerek elde edilen papatya geometrisine ait akış ve parçacık analizleri gerçekleştirilerek bu geometrinin önemi tartışılmıştır. Bu geometri ile birlikte, spiral mikrokanala eklenen serpantin bölgeler ile birlikte parçacığa lokal olarak etkiyen kuvvetler de elde edilerek, odaklanmanın bölgesel etkileri de tartışılmıştır. Burada, daha önce spiral mikrokanal analizleri ile elde edilen deneyimler kullanılarak parçacıklar üzerinde etkili olan fiziğin araştırılması amaçlanmaktadır. Farklı akış hızlarına ve farklı çaplara sahip mikropartiküller için analizler yapılmış ve bu parametrelerin bu kanalda ataletsel odaklamaya olan etkileri de araştırılmıştır. Hem sarmal bir yörüngeye hem de serpantin bölgelere sahip olan kanal geometrisinin eylemsiz odaklama üzerindeki etkileri tartışılmış ve kanal boyunca hareket eden kuvvetler elde edilerek sonuçların yorumlanması amaçlanmıştır. Bu kapsamda, HAD analizleri ile elde edilen kuvvet ve hız gibi sonuçlar sunulmuştur. Bu çalışmaların ardından, spiral ve ayçiçeği geometrili mikro kanalların ayırma özellikleri tartışılmıştır. Burada temel amaç, ayçiçeği geometrisinin ataletsel odaklamada spiral geometriye kıyasla olumlu ve olumsuz yönlerini elde etmek ve yorumlamaktır. Bu bağlamda kanal boyunca parçacığa etkiyen kuvvetler değerlendirilerek küresel ve yerel yorumlar tartışılmıştır. Gerçekleştirilen analizlerde, Comsol Multiphysics 5.3a program kullanılmıştır. Bu programın tercih edilmesinin sebebi, parçacığa etkiyen kuvvetlerin anlık olarak yüksek doğrulukta hesaplanabilmesi ve parçacık hareketlerinin kanal boyunca yüksek doğrulukta ve verimde belirlenebiliyor olmasıdır. Bu tez ile birlikte okuyucu, ataletsel odaklanma teorisi ve parçacık ayrıştırma aşamaları hakkında fikir edinecek, literatürde gerçekleştirilen çalışmalar hakkında bilgi sahibi olabilecektir. Aynı zamanda, gelecekte bu konuda çalışacak olan araştırmacılar için, e küçük çaplı parçacıkların odaklanması amacıyla geliştirilen bir papatya geometrisine yönelik çalışmalar ile birlikte parçacık odaklanması veriminin artırılabilmesine yönelik bazı temel dayanak noktaları sunulmuştur.