Numerical Analysis of an Acoustofluidic Device for Particle Trapping

Lo studio del controllo di fenomeni acustici in fluidi nella scala del micrometro sta diventando rapidamente un campo di ricerca di grande interesse per ottimizzare la manipolazione delle particelle all’ interno dei dispositivi microfluidici, in particolare nel settore della ricerca medica e della bioingegneria. Influenzare il comportamento delle particelle risulta essere fondamentale nei processi di separazione di diversi tipi di cellule, ad esempio di cellule tumorali da cellule sane. Il moto delle particelle nei microcanali è influenzato da due importanti fenomeni fisici: la forza di radiazione acustica (acoustic radiation force) e le vorticità presenti nel moto del fluido (acoustic streaming). La forza di radiazione acustica è generata dallo scattering delle onde acustiche sulle particelle, mentre le vorticità sono dovute alla natura viscosa del fluido. L’influenza di questi due fenomeni è fortemente legata alle condizioni operazionali in cui vengono svolti gli esperimenti (es.: frequenza del campo acustico, voltaggio del generatore d’onda), alle proprietà fisiche e alla portata del fluido, alla massa e alle proprietà fisiche delle particelle e alle caratteristiche geometriche del canale. Lo sviluppo di modelli matematici e computazionali è di fondamentale importanza per ottimizzare le prestazioni dei dispositivi acustofluidici e per supportare i risultati ottenuti nelle prove sperimentali. I fenomeni acustici nei canali microfluidici possono essere generati e controllati in modi differenti. Tipicamente, tramite l’eccitazione acustica di bolle di liquido all’interno del canale, oppure dal moto (solitamente armonico) delle pareti solide del canale o di ostacoli come micropilastri di diverse forme e dimensioni presenti all’interno del canale stesso, indotti a oscillare dalla presenza del campo acustico forzante. L’ obbiettivo di questa tesi è lo studio numerico di un dispositivo caratterizzato dalla presenza di pilastri cilindrici disposti simmetricamente all’interno del canale ed eccitati da un campo acustico tramite un transduttore piezoelettrico. Il canale e i pilastri sono stati realizzati in PDMS, un soffice polimero che fornisce oscillazioni significative quando è soggetto ad una sollecitazione acustica. Il modello matematico è stato implementato tramite Comsol Multiphysics, un software basato sul metodo degli elementi finiti che tramite le interfacce Thermoacoustic Physic Interface, Laminar Flow Interface e Particel Tracing for Fluid Flow è in grado di riprodurre il comportamento del fluido e delle particelle. L’analisi è stata condotta per una geometria bidimensionale, considerando la sezione longitudinale del canale estesa dalla regione di ingresso alla regione di uscita. L’ oscillazione acustica è stata simulata tramite opportune condizioni al contorno sulle pareti dei pilastri. Le simulazioni sono state effettuate variando la distanza tra i pilastri cilindrici in modo da verificare quale fosse la miglior scelta in termini di design per riuscire a generare le vorticità alle date condizioni operazionali. Successivamente, variando la dimensione delle particelle e le portate all’interno del canale, si è studiata la frequenza minima per riuscire ad intrappolare le particelle all’interno delle vorticità del fluido. La simulazione mostra che esiste una distanza critica, variabile con la portata di fluido introdotta, per cui si ha una transizione da più basse a più alte frequenze critiche per ottenere l’intrappolamento desiderato. Risulta, quindi, necessario ottimizzare la progettazione del canale in termini di distanza tra i pilastri per riuscire a manipolare in modo efficiente le particelle ed ottenere le funzionalità volute dal dispositivo.