Компьютерное моделирование и оптимизация конструкции микрофлюидного чипа
https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2025-37(1)-3
Аннотация
Работа посвящена анализу гидродинамической модели клапана Теслы, позволяющего регулировать поток жидкости в конструкции микрофлюидного чипа. При моделировании движения жидкости в сложных клапанах Теслы, состоящих из нескольких петель, часто прибегают к анализу одной петли и дальнейшей экстраполяции результатов на весь клапан. Для подтверждения или опровержения корректности данного метода, в работе анализируются клапаны Теслы состоящие из одной и восьми петель. Для них была изучена возникающая разность давлений и диодичность. На основе полученных данных было выявлено, что гидродинамика клапана Теслы является нелинейной и не позволяет корректно обобщать результаты, полученные для одной петли, на клапаны, состоящие из большего числа петель.
Об авторах
Анастасия Андреевна ВАРФОЛОМЕЕВА
Национальный исследовательский университет “Высшая Школа Экономики”
Россия
Россия
Cтудентка НИУ ВШЭ, обучается на программе бакалавриата по направлению «Прикладная математика». Сфера научных интересов: Вычислительная гидродинамика и микрофлюидные устройства.
Лев Андреевич ПЯТКО
Национальный исследовательский университет “Высшая Школа Экономики”,
Россия
Россия
Cтудент НИУ ВШЭ, обучается на программе бакалавриата по направлению «Прикладная математика». Сфера научных интересов: Вычислительная гидродинамика и микрофлюидные устройства.
Софья Романовна ПАРШИНА
Национальный исследовательский университет “Высшая Школа Экономики”,
Россия
Россия
Cтудентка НИУ ВШЭ, обучается на программе бакалавриата по направлению «Прикладная математика». Сфера научных интересов: Вычислительная гидродинамика и микрофлюидные устройства.
Список литературы
1. Nguyen, N.-T.; Wereley, S.T. Fundamentals and Applications of Microfluidics. Artech House, 2002.
2. Mufeeda C. Koyilot, Priyadarshini Natarajan, Clayton R. Hunt, Sonish Sivarajkumar,1 Romy Roy, Shreeram Joglekar, Shruti Pandita, Carl W. Tong, Shamsudheen Marakkar, Lakshminarayanan Subramanian, Shalini S. Yadav, Anoop V. Cherian, Tej K. Pandita, Khader Shameer, Kamlesh K. Yadav Breakthroughs and Applications of Organ-on-a-Chip Technology. Cells, vol. 11, 2022. 1828 p.
3. Huh, D.; Matthews, B.D.; Mammoto, A.; Montoya-Zavala, M.; Hsin, H.Y.; Ingber, D.E. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science, vol. 328, pp. 1662-1668.
4. Humayun, M.; Chow, C.W.; Young, E.W.K. Microfluidic lung airway-on-a-chip with arrayable suspended gels for studying epithelial and smooth muscle cell interactions. Lab Chip, vol. 18, 2018, pp. 1298-1309.
5. Marsano, A.; Conficconi, C.; Lemme, M.; Occhetta, P.; Gaudiello, E.; Votta, E.; Cerino, G.; Redaelli, A.; Rasponi, M. Beating heart on a chip: A novel microfluidic platform to generate functional 3D cardiac microtissues. Lab Chip., vol. 16, 2016, pp. 599-610.
6. Essig, M.; Terzi, F.; Burtin, M.; Friedlander, G. Mechanical strains induced by tubular flow affect the phenotype of proximal tubular cells. Am. J. Physiol. Renal Physiol, vol. 281, 2001, pp. 751-762.
7. Weinberg, E.; Kaazempur-Mofrad, M.; Borenstein, J. Concept and computational design for a bioartificial nephron-on-a-chip. Int. J. Artif. Organs, vol. 31, 2008, pp. 508-514.
8. Matthias Mehling, Savas¸ Tay Mehling, M. Microfluidic cell culture. Current Opinion in Biotechnology, vol. 25, 2014, pp. 95-102.
9. Tatara, A.M. Role of Tissue Engineering in COVID-19 and Future Viral Outbreaks. Tissue Eng., vol. A(26), 2020, pp. 468-474.
10. Tesla N. Valvular conduit. U.S. Patent No. 1329559, 1920.
11. Mcdonald, J.C.; Duffy, D.C.; Anderson, J.R.; Chiu, D.T.; Wu, H.; Schueller, O.J.; Whitesides, G.M. Fabrication of microfluidic system in poly (dimethylsiloxane). Electrophoresis., vol. 21, 2015, pp. 27-40.
12. Weng, X.; Yan, S.; Zhang, Y.; Liu, J.; Shen, J. Design, simulation and experimental study of a micromixer based on Tesla valve structure. Chem. Ind. Eng. Prog., vol. 40, 2021, pp. 4173-4178.
13. Forster F.K., Bardell R.L., Afromowitz M.A. and Sharma N.R. Design, fabrication and testing of fixed-valve micro-pumps. Proc. ASME Fluids Engineering Division, ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (San Francisco), vol. 234, 1995, pp. 39-44.
14. Gamboa, A.R.; Morris, C.J.; Forster, F.K. Improvements in fixed valve micropump performance through shape optimization of valves. J. Fluids Eng., vol. 127, 2005, 339 p.
15. Agnes Purwidyantri, Briliant Adhi Prabowo Tesla Valve Microfluidics: The Rise of Forgotten Technology. Chemosensors, vol. 11, 2023, 256 p.
16. Raymond H. W. Lam, Wen J. Li A Digitally Controllable Polymer-Based Microfluidic Mixing Module Array. Micromachines, vol. 3, 2012, pp. 279-294.
17. T-Q. Truong, N-T. Nguyen Simulation and optimization of Tesla Valves. Nanotech, vol. 1, 2003, 1 p.
18. Fred K. Forster, Ronald L. Bardell, Martin A. Afromowitz, Nigel R. Sharma, Alan Blanchard Design, fabrication and testing of fixed-valve micro-pumps. ASME Fluids Engineering Division, vol. 234, 1995, pp. 39-44.
19. Zhi-jiang Jin, Zhi-xin Gao, Min-rui Chen, Jin-yuan Qian Parametric study on Tesla valve with reverse flow for hydrogen decompression. Elsevier International Journal of Hydrogen Energy, vol. 43, 2018, pp. 8888-8896.
20. S. Zhang, S. H. Winoto and H.T. Low Performance Simulations of Tesla Microfluidic Valves. MicroNanoChina, vol. 21107, 2007, pp. 15-19.
21. S. M. Thompson, B. J. Paudel, T. Jamal, D. K. Walters Numerical Investigation of Multistaged Tesla Valves. Journal of Fluids Engineering, vol. 136, 2014, 9 p.
22. Benoit Scheid On the diodicity enhancement of multistage Tesla valves. Physics of Fluids, vol. 35, 2023, 5 p.
23. Faras Al Balushi, Arash Dahi Taleghani A Reversible Miniaturized Tesla Valve. ASME Open J. Engineering, vol. 3, 2024, 10p.
24. Kazem Mohammadzadeh, Amin Kolahdouz, Ebrahim Shirani, Mohammad Behshad Shafii Numerical Investigation on The Effect of The Size and Number of Stages on The Tesla Microvalve Efficiency. Journal of Mechanics, vol. 1, 2013, pp. 1-8.
25. Reed, J. L. and Fla, O., Fluidic Rectifier. U. S. Patent., 1993.
26. Deividas Andriukaitis, Rokas Vargalis, Lukas Šerpytis, Tomas Drevinskas, Olga Kornyšova, Mantas Stankevičius, Kristina Bimbiraitė-Survilienė, Vilma Kaškonienė, Audrius Sigitas Maruškas, Linas Jonušauskas Fabrication of Microfluidic Tesla Valve Employing Femtosecond Bursts. Micromachines, vol. 13(8), 2022, pp. 1180.
Рецензия
Для цитирования:
ВАРФОЛОМЕЕВА А.А., ПЯТКО Л.А., ПАРШИНА С.Р. Компьютерное моделирование и оптимизация конструкции микрофлюидного чипа. Труды Института системного программирования РАН. 2025;37(1):55-64. https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2025-37(1)-3
For citation:
VARFOLOMEEVA A.A., PYATKO L.A., PARSHINA S.R. Modeling and Analysis of the Microfluidic Chip. Proceedings of the Institute for System Programming of the RAS (Proceedings of ISP RAS). 2025;37(1):55-64. (In Russ.) https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2025-37(1)-3
Послать статью по эл. почте 