نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

طراحی و شبیه‌سازی سامانه مگنتوفورتیک با میدان مغناطیسی چرخان برای هدایت و جداسازی ریزذرات مغناطیسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش، یک سامانه نوین مبتنی بر تراشه‌های مگنتوفورتیک برای هدایت و جداسازی کنترل شده ذرات مغناطیسی میکرومتری در محیط میکروفلویدیک بر اساس اندازه آن‌ها طراحی و شبیه‌سازی شده است. این سیستم شامل فیلم‌های نانومتری مغناطیسی به صورت دیسک‌های به هم پیوسته با یک شکاف جداساز و میدان مغناطیسی چرخانی است که توسط آهن‌رباهای دائمی ایجاد می‌شود. سامانه تولید میدان مغناطیسی با استفاده از یک استپر‌موتور و کنترلر آردوینو، امکان تنظیم فرکانس چرخش میدان را فراهم می‌کند. طراحی سه‌بعدی با نرم‌افزار سالیدورکس انجام شده و توزیع انرژی مغناطیسی بر روی تراشه توسط نرم‌افزار کامسول شبیه‌سازی گردیده است. همچنین، با بهره‌گیری از کدهای توسعه‌داده‌شده در محیط متلب، نیروهای وارد بر ذرات و مسیر حرکت آن‌ها تحلیل شده‌اند. نتایج شبیه‌سازی، جهت اعتبارسنجی، با داده‌های تجربی مطالعات پیشین مقایسه گردید و تطابق مناسب مسیر حرکت ذرات (با میانگین خطای %2/61 در فاصله شعاعی) دقت خوب شبیه‌سازی‌ها را نمایان نمود. سپس با استفاده از این مدل تأییدشده، عملکرد سامانه طراحی‌شده در جداسازی ذرات ارزیابی شد و مشخص گردید با انتخاب شکاف‌های 2 تا 7 میکرومتری، در میدان با شدت‌های 50 و 100 ارستد و با تنظیم فرکانس، می‌توان ذرات میکرومتری با اندازه‌های مختلف را از یکدیگر جدا نمود. با حذف چالش‌هایی نظیر پیچیدگی مدارهای سیم‌پیچی و گرمایش ناخواسته در روش‌های پیشین، این مطالعه راهکاری کارآمد، ساده و قابل اطمینان را با کاربردهای زیستی و پزشکی فراهم می‌سازد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Design and Numerical Simulation of a Magnetophoretic System with a Rotating-Field for Manipulation and Separation of Magnetic Microparticles

نویسندگان English

Atabak Mohammadi Moazed
Roozbeh Abedini-Nassab
Energy Conversion Department, Faculty of, Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده English

In this study, a novel system based on magnetophoretic chips has been designed and simulated for the manipulation and controlled size-based separation of magnetic microparticles within a microfluidic environment. The system consists of magnetic nanofilms in the form of interconnected disks with a separation gap and a rotating magnetic field generated by permanent magnets. The magnetic field generator setup, using a stepper motor and an Arduino controller, enables adjustment of the rotation frequency. Three-dimensional modeling was carried out using SolidWorks, and the distribution of the magnetic energy on the chip was simulated using COMSOL Multiphysics. Additionally, particle trajectories and magnetic forces were analyzed through custom-developed MATLAB codes. The simulation results, for validation purposes, were compared with experimental data from previous studies, and the good agreement of the particle trajectories (with an average radial error of 2.61%) demonstrated the high accuracy of the simulations. Then, using this validated model, the performance of the designed system in particle separation was evaluated, and it was found that by selecting gaps of 2 to 7 micrometers, under magnetic field strengths of 50 and 100 Oersted and by adjusting the frequency, micrometric particles with different sizes could be separated. By eliminating challenges associated with coil circuits and undesired heating in previous methods, this study provides a reliable, simple, and efficient solution with biological and medical applications.

کلیدواژه‌ها English

Lab-on-a-Chip
Single-Cell Analysis
Particle Separation
Magnetic Particle Manipulation
Magnetophoretic Circuits
[1] W. Liu, L. Xie, Y.-H. He, Z.-Y. Wu, L.-X. Liu, X.-F. Bai, D.-X. Deng, X.-E. Xu, L.-D. Liao, W. Lin, Large-scale and high-resolution mass spectrometry-based proteomics profiling defines molecular subtypes of esophageal cancer for therapeutic targeting, Nature communications, 12(1) (2021) 4961.
[2] J. Shang, Y. Wan, C. Luo, G. Ye, Q. Geng, A. Auerbach, F. Li, Cell entry mechanisms of SARS-CoV-2, Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(21) (2020) 11727–11734.
[3] J.A. Berkenbrock, R. Grecco-Machado, S. Achenbach, Microfluidic devices for the detection of viruses: Aspects of emergency fabrication during the COVID-19 pandemic and other outbreaks, Proceedings of the Royal Society A, 476(2243) (2020) 20200398.
[4] P. Gantner, A. Pagliuzza, M. Pardons, M. Ramgopal, J.-P. Routy, R. Fromentin, N. Chomont, Single-cell TCR sequencing reveals phenotypically diverse clonally expanded cells harboring inducible HIV proviruses during ART, Nature communications, 11(1) (2020) 4089.
[5] R. Abedini-Nassab, A. Emamgholizadeh, Controlled Transport of Magnetic Particles and cells using C-Shaped magnetic thin films in Microfluidic chips, Micromachines, 13(12) (2022) 2177.
[6] R. Abedini-Nassab, R. Shourabi, High-throughput precise particle transport at single-particle resolution in a three-dimensional magnetic field for highly sensitive bio-detection, Scientific Reports, 12(1) (2022) 6380.
[7] N. Azizipour, R. Avazpour, D.H. Rosenzweig, M. Sawan, A. Ajji, Evolution of biochip technology: A review from lab-on-a-chip to organ-on-a-chip, Micromachines, 11(6) (2020) 599.
[8] D.S. Dkhar, R. Kumari, S.J. Malode, N.P. Shetti, P. Chandra, Integrated lab-on-a-chip devices: Fabrication methodologies, transduction system for sensing purposes, Journal of pharmaceutical and biomedical analysis, 223 (2023) 115120.
[9] A. Dalili, E. Samiei, M. Hoorfar, A review of sorting, separation and isolation of cells and microbeads for biomedical applications: microfluidic approaches, Analyst, 144(1) (2019) 87–113.
[10] E.L. Jackson, H. Lu, Advances in microfluidic cell separation and manipulation, Current opinion in chemical engineering, 2(4) (2013) 398–404.
[11] Q. Luan, C. Macaraniag, J. Zhou, I. Papautsky, Microfluidic systems for hydrodynamic trapping of cells and clusters, Biomicrofluidics, 14(3) (2020).
[12] M.P. MacDonald, G.C. Spalding, K. Dholakia, Microfluidic sorting in an optical lattice, Nature, 426(6965) (2003) 421–424.
[13] L. Schmid, D.A. Weitz, T. Franke, Sorting drops and cells with acoustics: acoustic microfluidic fluorescence-activated cell sorter, Lab on a Chip, 14(19) (2014) 3710–3718.
[14] Y. Gao, M. Wu, Y. Lin, J. Xu, Acoustic microfluidic separation techniques and bioapplications: a review, Micromachines, 11(10) (2020) 921.
[15] Y. Wang, H. Pan, D. Mei, C. Xu, W. Weng, Programmable motion control and trajectory manipulation of microparticles through tri-directional symmetrical acoustic tweezers, Lab on a Chip, 22(6) (2022) 1149–1161.
[16] R. Abedini-Nassab, J. Wirfel, B. Talebjedi, N. Tasnim, M. Hoorfar, Quantifying the dielectrophoretic force on colloidal particles in microfluidic devices, Microfluidics and Nanofluidics, 26(5) (2022) 38.
[17] M.E. Emmerich, A.-S. Sinnigen, P. Neubauer, M. Birkholz, Dielectrophoretic separation of blood cells, Biomedical Microdevices, 24(3) (2022) 30.
[18] A. Dalili, E. Taatizadeh, H. Tahmooressi, N. Tasnim, P.I. Rellstab-Sánchez, M. Shaunessy, H. Najjaran, M. Hoorfar, Parametric study on the geometrical parameters of a lab-on-a-chip platform with tilted planar electrodes for continuous dielectrophoretic manipulation of microparticles, Scientific reports, 10(1) (2020) 11718.
[19] R. Abedini-Nassab, N. Sadeghidelouei, C.W. Shields IV, Magnetophoretic circuits: A review of device designs and implementation for precise single-cell manipulation, Analytica chimica acta, 1272 (2023) 341425.
[20] R. Abedini-Nassab, X. Ding, H. Xie, A novel magnetophoretic-based device for magnetometry and separation of single magnetic particles and magnetized cells, Lab on a Chip, 22(4) (2022) 738–746.
[21] X. Hu, R. Abedini-Nassab, B. Lim, Y. Yang, M. Howdyshell, R. Sooryakumar, B.B. Yellen, C. Kim, Dynamic trajectory analysis of superparamagnetic beads driven by on-chip micromagnets, Journal of applied physics, 118(20) (2015).