Αλγόριθμος υπολογισμού θέσεων ισορροπίας κυττάρων σε μικρορευστονικές διατάξεις διαχωρισμού με τη βοήθεια αδρανειακών δυνάμεων

Κουτσιαρά, Κωνσταντίνα; Koutsiara, Konstantina

dc.contributor.author	Κουτσιαρά, Κωνσταντίνα	el
dc.contributor.author	Koutsiara, Konstantina	en
dc.date.accessioned	2022-02-23T09:05:24Z
dc.date.available	2022-02-23T09:05:24Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54808
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22506
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Διαχωρισμός κυττάρων	el
dc.subject	Αδρανειακή εστίαση	el
dc.subject	Αδρανειακές δυνάμεις	el
dc.subject	Μικρορευστονικές διατάξεις	el
dc.subject	Simulation	en
dc.subject	Cell sorting	en
dc.subject	Inertial focusing	en
dc.subject	Iertial forces	en
dc.subject	Microfluidic devices	en
dc.title	Αλγόριθμος υπολογισμού θέσεων ισορροπίας κυττάρων σε μικρορευστονικές διατάξεις διαχωρισμού με τη βοήθεια αδρανειακών δυνάμεων	el
dc.title	Algorithm for the calculation of equilibrium positions of cells in inertial microfluidic devices for cell separation	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Μικροσυστήματα	el
heal.classification	Μικρορευστονικά συστήματα	el
heal.classification	Microsystems	en
heal.classification	Microfluidics	en
heal.classification	Προσομοίωση	el
heal.classification	Simulation	en
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-07-22
heal.abstract	Τα μικροεργαστήρια σε ψηφίδα (Lab-on-Chip) μεταφέρουν χημικές, βιοχημικές και φυσικές διεργασίες ενός εργαστηρίου σε μία ψηφίδα και αποτελούνται από μία ή περισσότερες μικρορευστονικές διατάξεις (microfluidic devices). H παρούσα εργασία εστιάζει και ερευνά μικρορευστονική διάταξη διαχωρισμού κυττάρων στην οποία αξιοποιείται η αδρανειακή εστίαση (inertial focusing) σε μικροκανάλια. Κατά την αδρανειακή εστίαση, όταν αιώρημα σωματιδίων εγχύεται σε μικροκανάλι, οι δυνάμεις που δρουν στα αιωρούμενα σωματίδια κατά μήκος της κύριας και κάθετης κατεύθυνσης προς τη ροή καθορίζουν τις θέσεις ισορροπίας τους μέσα στο κανάλι. Εδώ παρουσιάζουμε μια υπολογιστική μελέτη, που βασίζεται στη χρήση ελεύθερων και εμπορικών λογισμικών (OpenFOAM, GMSH, ParaView και COMSOL) σε συνδυασμό με πηγαίο κώδικα. Καταστρώνεται αλγόριθμος υπολογισμού των δυνάμεων που ασκούνται στα σωματιδία και εύρεσης των θέσεων ισορροπίας των σφαιρικών σωματιδίων (που προσομοιάζουν τα κύτταρα) σε μικροκανάλια. Χρησιμοποιούμε λεπτομερές μοντέλο επίλυσης, το οποίο βασίζεται στις εξισώσεις Navier – Stokes, στην εξίσωση συνέχειας και στις εξισώσεις δυνάμεων και ροπών που ασκούνται σε σφαιρικό σωματίδιο. Γίνεται συστηματική σύγκριση των επιλυτών του ελεύθερου κώδικα OpenFOAM σε όρους ταχύτητας επίλυσης καθώς και μελέτη της επιτάχυνσης που μπορεί να επιτευχθεί με παραλληλοποίηση των υπολογισμών. Ο ταχύτερος επιλύτης συγκρίνεται με όρους ακρίβειας και ταχύτητας με τον εμπορικό κώδικα COMSOL. Αναπτύσσεται εν συνεχεία ένα υβριδικό πλαίσιο υπολογισμών που συνδυάζει πηγαίο με ελεύθερο κώδικα, για τον υπολογισμό του χάρτη δυνάμεων σε σωματιδία που βρίσκονται σε διαφορετικές θέσεις στη διατομή μικροκαναλιών. Από το χάρτη δυνάμεων προκύπτουν και οι θέσεις ισορροπίας των σωματιδίων. Το υβριδικό πλαίσιο υπολογισμών μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε γεωμετρία καναλιών και οποιοδήποτε αριθμό Reynolds, αποφεύγοντας τους περιορισμούς των προσεγγιστικών μοντέλων, και αποτελεί χρήσιμο εργαλείο σχεδιασμού μικρορευστονικών διατάξεων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το διαχωρισμό κυττάρων με βάση τις φυσικές ιδιότητες τους (μέγεθος, μάζα και σχήμα).	el
heal.abstract	Lab-on-Chip transfers chemical, biochemical and physical processes of a laboratory to a chip and consists of one or more microfluidic devices. The present work focuses on and investigates a microfluidic device for cell separation that utilizes inertial focusing in microchannels. In inertial focusing, when a particle suspension is injected into a microchannel, the forces acting on the suspended particles along the main and perpendicular direction to the flow determine their equilibrium positions within the channel. Here, we present a computational study, based on the use of free and commercial codes (OpenFOAM, GMSH, ParaView and COMSOL) in combination with source code. An algorithm is developed to calculate the forces exerted on the particles and to find the equilibrium positions of the spherical particles (which resemble cells) in microchannels. We use a detailed solution model, which is based on the Navier - Stokes equations, the continuity equation and the equations of forces and moments exerted on a spherical particle. A systematic comparison of OpenFOAM (free code) solvers is performed in terms of speed, as well as a study of the acceleration that can be achieved by parallelizing the calculations. The fastest solver is compared with the COMSOL commercial code in terms of accuracy and speed. A hybrid computational framework is then developed that combines source with free code to compute the force map of particles located at different positions in the microchannel section. The equilibrium positions of the particles emerge from the force map. The hybrid computational framework can be applied to any channel geometry and any Reynolds number, avoiding the limitations of approximation models. It is a useful tool for designing microfluidic devices that can be used to separate cells based on their physical properties (size, mass, and shape).	en
heal.advisorName	Κόκκορης, Γεώργιος	el
heal.advisorName	Kokkoris, George	en
heal.committeeMemberName	Μαθιουλάκης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Τσερέπη, Αγγελική	el
heal.committeeMemberName	Mathioulakis, Demetrios	en
heal.committeeMemberName	Tserepi, Angeliki	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	135 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false