Моделирование и экспериментальная проверка процессов разделения биоклеток по величине магнитной восприимчивости

В статье даны предложения по моделированию процессов сепарирования клеток по величине магнитной восприимчивости. На основе предложенной модели создана рабочая установка сепаратора, дано ее описание. Для повышения эффективности работы приведенной установки сепаратора, по сравнению с существующими аналогами, внесены конструкторские предложения. Экспериментально установлено, что решетка, состоящая из стержней магнитомягкой стали, представляющая собой пространственно-периодическую полиградиентную структуру, может выделять клетки различной магнитной восприимчивости, при изменении величины внешнего магнитного поля, приложенного к этой структуре и неизменной скорости потока рабочей среды, прокачиваемого через нее. Дополнительно разработана методика выделения клеток с разной магнитной восприимчивостью на рабочей установке. Полученный метод позволяет получать «спектры» магнитной восприимчивости клеток образцов. После проведения калибровки установки, возможно прогнозирование ожидаемых результатов анализа по разделению клеток. Эффективность разработанного сепаратора растет с увеличением количества рядов (стержней) в периодической структуре. От времени прокачки зависит точность получаемых результатов. При слабых полях выдержку необходимо увеличивать. В зонах завихрения могут оставаться немагнитные или слабомагнитные биологические клетки. Это явление отрицательно сказывается на качестве полученных образцов, особенно при слабых магнитных полях.

1. Беспалова С.В., Легенький Ю.А., Холявка М.Г., Солопов М.В. Инверсия сахарозы и биосорбция ионов Cu2+ магнитомаркированными клетками Saccharomyces сerevisiae. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2017;1:98–101.

2. Турчин В.В., Лёгенький Ю.А., Солопов М.В., Беспалова С.В., Фисталь Э.Я. Магнитофоретические свойства фетальных фибробластов человека, маркированных суперпарамагнитными наночастицами оксида железа, стабилизированными цитратом. Научно-практический журнал «Гены & Клетки». 2017;12(1):47–53.

3. Корниенко В.О., Кольченко О.Р., Яицкий А.С. Влияние наночастиц Fe3O4 на онтогенез и морфометрические показатели кукурузы сахарной (Zea mays L.). Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и Технические Науки. 2020;08(2):30–36.

4. Корниенко В.О. Влияние наночастиц Fe3O4 с различными типами покрытия на ранние стадии развития кукурузы сахарной (Zea mays L.). Проблемы экологии и охраны природы техногенного региона. 2020;3-4:88–98.

5. Легенький Ю.А., Солопов М.В. Влияние параметров магнитомаркирования на магнитофорез клеток Saccharomyces сerevisiae. Вестник Международной Академии Наук экологии и безопасности жизнедеятельности. 2015;20(2):40–42.

6. Dalili A., Samieib E., Hoorfar M. A review of sorting, separation and isolation of cells and microbeads for biomedical applications: microfluidic approaches. The Analyst. 2018;144:87–113.

7. Luo T., Fan, L., Zhu R., Sun D. Microfluidic Single-cell manipulation and analysis: methods and applications. Micromachines. 2019;10(104):1–31.

8. Pamme N., Wilhelm C. Continuous sorting of magnetic cells via on-chip free-flow. Lab Chip. 2006;6(8):974–980.

9. Svоbоdа J. Magnetic techniques for the treatment of materials. Kluwer academic publishers; 2004. P. 206–207.

10. Tsai H., Fang Y.S., Fuh C.B. Analytical and preparative applications of magnetic split-flow thin fractionation on several ion-labeled red blood cells. BioMagnetic Research and Technology. 2006;4(6):1–7.

11. Загірняк М.В., Кондратенко І.П., Волканін Є.Є. Патент на корисну модель № 88449, Україна, МПК: A61K 9/51, B03C 1/025. Високоградієнтний магнітний сепаратор наночастинок за фракціями. Патентовласник: Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського; заявл. 18.11.13; опубл. 11.03.14, Бюл. № 5. 7 с.

12. Загірняк М.В., Кондратенко І.П., Волканін Є.Є. Патент на корисну модель № 88446, Україна, МПК: В03С 1/32 (2006.01), А61К 9/51 (2006.01). Сепаратор з магнітною системою Фарадея для розділення наночастинок за фракціями. Патентовласник: Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського; заявл. 18.11.13; опубл. 11.03.14, Бюл. № 5. 4 с.

13. Толмачев С.Т., Бондаревский С.Л. Деякі питання поліградієнтної магнітної сепарації. Електромеханічні системи та автоматизація. 2012;1:31–36.

14. Кондратенко И.П., Некрасов А.В., Волканин Е.Е. Исследование магнитогидродинамического сепаратора. Електромеханічні і енергозберігаючі системи. 2011;1:107–109.

15. Горобец С.В. Горобец О.Ю. Михайленко Н.А Демьяненко И.В. Патент на корисну модель № 62963, Україна, МПК: B03C 1/02 (2006.01) Фракціонатор. патентовласник: Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»; заявл. 10.02.11; опубл. 26.09.11, Бюл. № 18. 2 с.

16. Frodsham G., Pankhurst Q.A. Biomedical applications of high gradient magnetic separation: progress towards therapeutic haeomofiltration. Biomed. Eng.-Biomed. Tech. 2015;60(5):393–404.

17. Moeser G.D., Roach K.A., Green W.H., Hatton T.A. High-gradient magnetic separation of coated magnetic nanoparticles. AIChE Journal. 2004;50(11):2835–2848.

18. Abidin U., Majlis, B.Y., Yunas, J. Integrated high magnetic gradient system for trapping nanoparticles. Jurnal Teknologi. 2015;75(11):151–160.

19. Кириленко А.В., Чехун В.Ф., Подольцев А.Д., Кондратенко И.П., Кучерявая И.Н., Бондар В.В., Шпилевая С.И., Тодор И.Н. Анализ силового воздействия высокоградиентного магнитного поля на магнитные наночастицы в потоке жидкости. Доповiдi Нацiональної академiї наук України. 2010;9:162–172.