Diseño y Simulación Numérica de Estructuras Biomiméticas para Capturar Partículas en un Microcanal
Autores: Yang, Lung-Jieh; Joseph, Vivek-Jabaraj; Unnam, Neethish-Kumar; Esakki, Balasubramanian
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2022
Acceso abierto
Artículo científico
2022
Diseño y Simulación Numérica de Estructuras Biomiméticas para Capturar Partículas en un Microcanal
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Microcanal
Partículas
Estructura de ala corrugada
Paredes de cilios
Diseño de microchip
Análisis numérico
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Citaciones: Sin citaciones
El estudio de la separación de diferentes tamaños de partículas a través de un microcanal ha sido de interés en los últimos años y la atención principal de este estudio es aislar las partículas hacia los salidas específicas. El trabajo presente se centra en el diseño y análisis numérico de un microchip y la captura de micropartículas utilizando estructuras especiales como la estructura de ala de libélula corrugada y paredes de cilios. La estructura de ala corrugada biomimética especial se toma del área de sección transversal del ala de la libélula y la estructura de cilios se obtiene de los bronquiolos terminales epiteliales hasta la laringe del cuerpo humano. Se realizaron estudios paramétricos en diferentes tamaños de microchip escalados y probados en el rango de 2-6 mm y el grosor se asignó como 80 um tanto en la estructura de ala de libélula como en las paredes de cilios. El canal de microflujo es un régimen de bajo número de Reynolds y con la ayuda de las estructuras especiales, el flujo dentro del microcanal se estrangula y se observa un patrón de forma de onda sinusoidal. El flujo estrangulado con forma de onda sinusoidal transporta las partículas río abajo e induce las partículas atrapadas en los salidas deseadas. La interacción partícula-fluido (FPI) con un solucionador dependiente del tiempo en COMSOL Multiphysics se utilizó para llevar a cabo el estudio numérico. Se aplicaron dos tamaños de partículas de 5 um y 20 um, se utilizó una velocidad de entrada de 0.52 m/s con un ángulo de entrada de 50 grados a lo largo del estudio y se sugirió que: la longitud del microcanal de 3 mm con estructura de ala de libélula corrugada tenía la tasa máxima de captura de partículas de 20 um en la salida principal. Se observaron una tasa de captura del 80% para la longitud del microcanal de 3 mm con estructura de ala de libélula corrugada y una tasa de captura del 98% para la longitud del microcanal de 2 mm con estructura de pared de cilios. Los resultados de la simulación numérica mostraron que el microchip con paredes de cilios es superior a la estructura de ala corrugada, ya que la salida principal puede conducir la mayoría de las partículas de 20 um. Al mismo tiempo, la salida secundaria puede capturar lateralmente la mayoría de las partículas de 5 um. Se espera que este diseño de microchip biomimético se implemente utilizando el proceso PDMS MEMS en el futuro.
Descripción
El estudio de la separación de diferentes tamaños de partículas a través de un microcanal ha sido de interés en los últimos años y la atención principal de este estudio es aislar las partículas hacia los salidas específicas. El trabajo presente se centra en el diseño y análisis numérico de un microchip y la captura de micropartículas utilizando estructuras especiales como la estructura de ala de libélula corrugada y paredes de cilios. La estructura de ala corrugada biomimética especial se toma del área de sección transversal del ala de la libélula y la estructura de cilios se obtiene de los bronquiolos terminales epiteliales hasta la laringe del cuerpo humano. Se realizaron estudios paramétricos en diferentes tamaños de microchip escalados y probados en el rango de 2-6 mm y el grosor se asignó como 80 um tanto en la estructura de ala de libélula como en las paredes de cilios. El canal de microflujo es un régimen de bajo número de Reynolds y con la ayuda de las estructuras especiales, el flujo dentro del microcanal se estrangula y se observa un patrón de forma de onda sinusoidal. El flujo estrangulado con forma de onda sinusoidal transporta las partículas río abajo e induce las partículas atrapadas en los salidas deseadas. La interacción partícula-fluido (FPI) con un solucionador dependiente del tiempo en COMSOL Multiphysics se utilizó para llevar a cabo el estudio numérico. Se aplicaron dos tamaños de partículas de 5 um y 20 um, se utilizó una velocidad de entrada de 0.52 m/s con un ángulo de entrada de 50 grados a lo largo del estudio y se sugirió que: la longitud del microcanal de 3 mm con estructura de ala de libélula corrugada tenía la tasa máxima de captura de partículas de 20 um en la salida principal. Se observaron una tasa de captura del 80% para la longitud del microcanal de 3 mm con estructura de ala de libélula corrugada y una tasa de captura del 98% para la longitud del microcanal de 2 mm con estructura de pared de cilios. Los resultados de la simulación numérica mostraron que el microchip con paredes de cilios es superior a la estructura de ala corrugada, ya que la salida principal puede conducir la mayoría de las partículas de 20 um. Al mismo tiempo, la salida secundaria puede capturar lateralmente la mayoría de las partículas de 5 um. Se espera que este diseño de microchip biomimético se implemente utilizando el proceso PDMS MEMS en el futuro.