为下一代微流体和医疗设备创建人工纤毛

纤毛在许多生物体中发挥着重要作用，因为它们能有效地产生液体流动(图1)。例如，在人类中，这些细长的毛发状结构将粘液排出呼吸系统，并将卵子沿输卵管运送到子宫[1]。纤毛也使草履虫移动和珊瑚礁为[2]提供食物。

生物学家假设纤毛的液体泵送效率是由以下因素共同作用的结果非互易的运动(单个纤毛在一个方向的运动与相反方向的运动是不对称的)和metachronal协调(纤毛阵列以波状序列移动)。然而，直到最近，在生物纤毛系统上进行对照实验的挑战使得很难量化超时协调对流体流动的影响。

我们在马克斯普朗克智能系统研究所的研究团队已经开发出亚毫米长的人造纤毛[3]，它可以编程成波状移动，可以像生物纤毛一样有效地泵送粘性液体(图2)。

为了最大化这些人工纤毛产生流体流动的能力，我们首先在MATLAB中建模和模拟每个单独的纤毛^®然后进行实验，我们改变了多个纤毛的相移和间距协同工作。单纤毛被建模为欧拉-伯努利梁大挠度考虑流体阻力。我们将模型实现为每个时间帧的边值问题。利用偏微分方程工具箱中的求解器，我们求解了单个纤毛在旋转磁场作用下的运动。这些数值实验加深了我们对真实纤毛的生物力学和运动模式的理解，这是开发能够将液体泵入天然纤毛受损患者体内的医疗设备的重要第一步。

人工纤毛是如何工作的

因为我们的人造纤毛是由铁磁弹性薄片制成的，我们可以通过施加外部磁场来驱动它们。人造纤毛的运动，包括快速的动力冲程和较慢的恢复冲程，与生物纤毛的运动非常相似(图3a和3b)。

在一排人工纤毛中，每个纤毛的磁化曲线与相邻纤毛的磁化曲线略有不同，因此当施加时变电磁场时，整排纤毛以协调的波运动(图4)。

单个纤毛的建模与模拟

为了设计单个纤毛，我们在MATLAB中对复杂的单纤毛动力学进行了建模和仿真。考虑磁性驱动、铁磁弹性板的刚度和流体阻力，应用基于Euler-Bernoulli梁理论的偏微分方程求解大挠度问题。基于MATLAB的仿真使我们能够通过优化材料性能和几何参数最大化单个纤毛的产流能力。

用多纤毛进行实验

在设计和制作完纤毛后，我们进行了实验，以确定在低雷诺数(Re)下，当流体中的粘性力远大于惯性力时，不同的纤毛运动模式如何影响流体流动。在这些实验中，我们改变了相邻纤毛之间的相移和间距，并测量了流体流量。我们用来量化流动的一种方法是向流动中引入直径约300 μm的中性浮力示踪颗粒，并跟踪颗粒的运动(图5)。

因为逐帧手动跟踪粒子是一项劳动密集型工作，所以我们使用MATLAB脚本将该过程自动化。这些脚本，使用图像处理工具箱™，计算机视觉工具箱™和修改的对象分割脚本颜色阈值app，执行分割将粒子从背景中分离出来，然后应用卡尔曼滤波器平滑跨帧的运动(图6)。通过计算粒子的速度及其与表面的距离，自动化脚本帮助我们找到使流量最大化的相移和纤毛间距。

创建纤毛虫微流体和医疗设备

作为这个项目的一部分，我们已经创建了使用人工纤毛的微流体装置原型。这些设备包括使用两个纤毛阵列混合粘性流体的微流体混合器和推动粘性流体通过狭窄通道的泵(图7a和7b)。这两项任务——在狭窄通道内混合和泵送——在低雷诺数(Re < 0.05)和小规模条件下都具有挑战性。

磁性人工纤毛有望用于可植入人体的设备中。要使纤毛以这种方式被使用，我们首先需要解决一些挑战。第一个是缩小纤毛的大小。我们的团队目前正在使用MATLAB来了解当纤毛长度减少到1毫米以下时，纤毛的动态变化。此外，我们正在整合纤毛阵列与现有设备的结构元素，如支架。有了这些改进，人工纤毛有可能成为嵌入式医疗设备的组成部分，例如，在不久的将来，可以帮助呼吸道感染患者将黏液泵出气管。