微流控芯片中大肠杆菌与血细胞分离的有限元分析及其在脓毒症早期诊断中的应用

本研究通过COMSOL Multiphysics? 5.3a模拟软件，开发了一种基于微流控技术的脓毒症早期诊断平台。研究人员通过尺寸分离和介电泳(DEP)力，实现了白细胞(WBCs)计数(2.0×109/L)和大肠杆菌(E.coli)分离(85%回收率)，在10分钟内完成检测，为精准抗生素治疗提供新策略。

　　

脓毒症作为感染引发的全身炎症反应，每年导致全球数百万人死亡，其早期诊断面临两大挑战：传统微生物检测需3-6小时，而经验性抗生素治疗易引发耐药性。马来西亚理工大学(Universiti Teknologi Malaysia)控制与机电工程系的研究团队创新性地将微流控技术与有限元分析(FEA)结合，开发出能同步实现白细胞计数和病原体分离的诊断芯片，相关成果发表于《Results in Engineering》。

研究采用COMSOL Multiphysics? 5.3a软件建立二维模型，通过流体动力学模拟优化了聚碳酸酯材质微通道设计。关键技术包括：(1)基于剪切稀化效应的非牛顿流体模拟，实现WBCs的惯性聚焦；(2)5V/3MHz介电泳(DEP)场调控微生物运动轨迹；(3)荧光标记细胞计数算法。

【流体流动剖面分析】

通过Navier-Stokes方程模拟显示，在30mm×20mm×10μm微通道中，5μL/min流速下形成典型层流(雷诺数<100)。WBCs因较大尺寸(10μm)向低剪切区迁移，而RBCs(7μm)和E.coli(1μm)保持近壁流动，该现象符合Couette-Poiseuille流理论。

【血细胞分离与计数】

宽度梯度微通道设计使WBCs进入计数区，荧光检测显示2.0×10⁹/L的生理浓度。值得注意的是，12%体积分数的细胞悬液模拟中，弹性惯性效应使WBCs偏离率达85%，远超传统螺旋芯片70%的分离效率。

【病原体介电泳分离】

在后续DEP模块中，施加5V/3MHz交变电场时，大肠杆菌因负介电泳(nDEP)效应被捕获至电极边缘。CM因子计算表明，1×10³μS/mm的细菌电导率使其与RBCs产生显著运动差异，该过程仅消耗19.5mW功率，避免样本热损伤。

该研究通过计算流体力学(CFD)与DEP场的协同优化，首次在单一芯片上集成脓毒症筛查(WBC计数)和病原鉴定功能。相比Kumar等报道的19.5V高压方案，本研究将工作电压降低74%，同时将处理时间从17小时压缩至10分钟。未来结合机器学习算法优化电极排布，可进一步提升对链球菌等多元病原的区分能力。这项技术为ICU床旁快速诊断提供了新思路，对遏制抗生素滥用引发的耐药危机具有重要临床价值。