Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

الکتروپوریشن پیوسته با ولتاژ پایین روی تراشۀ میکروفلوئیدیک با تمرکز هیدرودینامیکی تک سلولی و الکترودهای صفحه‌ای: طراحی بهینه با استفاده از روش تاگوچی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

گروه فناوری‌پزشکی و مهندسی بافت، دانشکده مهندسی علوم زیستی، دانشکدگان علوم و فناوری‌های میان‌رشته‌ای، دانشگاه تهران، تهران، ایران

10.22041/ijbme.2026.2090307.2038
چکیده
الکتروپوریشن یکی از روش‌های مؤثر برای انتقال مولکول‌های زیستی به درون سلول است، اما سامانه‌های متداول به‌دلیل نیاز به ولتاژهای بالا، تولید گرمای ژول و ناهمگنی میدان الکتریکی با محدودیت مواجه‌اند. در این مطالعه، یک سامانۀ الکتروپوریشن میکروفلوئیدیکی مبتنی بر تمرکز هیدرودینامیکی و الکترودهای صفحه‌ای با فاصلۀ 40 میکرومتر به‌صورت عددی طراحی شد. در این طراحی، با متمرکزسازی جریان سلولی در ناحیۀ نزدیک به کف کانال و هدایت آن به سمت الکترودهای صفحه‌ای، امکان اعمال میدان الکتریکی مؤثر در ولتاژهای پایین فراهم می‌شود. هندسۀ ناحیۀ تمرکز هیدرودینامیکی با استفاده از طراحی آزمایش تاگوچی و تحلیل ANOM و ANOVA به‌صورت نظام‌مند بهینه‌سازی شد. سپس، تمرکز هیدرودینامیکی سه‌بعدی، توزیع میدان الکتریکی و گرمای ژول در شرایط بهینه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که طراحی پیشنهادی قادر است جریان سلولی را به ناحیه‌ای به ابعاد µm2 20×20 هدایت کرده و میدان الکتریکی موردنیاز برای الکتروپوریشن سلول‌های پستانداران را در ولتاژهای کمتر از 1.75 ولت ایجاد کند، درحالی‌که افزایش دمای ناشی از گرمای ژول محدود باقی می‌ماند. این یافته‌ها نشان می‌دهند که ترکیب هدفمند تمرکز هیدرودینامیکی با کاهش فاصلۀ الکترودها می‌تواند رویکردی مؤثر برای توسعه سامانه‌های الکتروپوریشن کم‌ولتاژ و جریان‌پیوسته با کنترل بهتر شرایط الکتریکی و حرارتی باشد. بااین‌حال، به‌دلیل ماهیت عددی مطالعه و نبود اعتبارسنجی تجربی، نتایج بیانگر امکان‌پذیری عددی طراحی پیشنهادی است و اثربخشی زیستی آن نیازمند ارزیابی تجربی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Low-voltage continuous electroporation on a microfluidic chip with hydrodynamic single-cell focusing and planar electrodes: Optimized design using the Taguchi method

نویسندگان English

Zohre Nazemi Dehkordi
Ali Abouei Mehrizi
Group of Medical Technology and Tissue Engineering, School of Life Science Engineering, College of Interdisciplinary Science and Technology, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

Electroporation is an effective approach for intracellular delivery of biomolecules; however, conventional systems are limited by their high voltage requirements, Joule heating, and nonuniform electric-field distribution. In this study, a microfluidic electroporation system based on hydrodynamic focusing and planar electrodes with a 40-µm gap was numerically designed. In the proposed design, the cell stream is confined near the bottom of the channel and guided toward the planar electrodes, enabling the generation of an effective electric field at low applied voltages. The geometry of the hydrodynamic focusing region was systematically optimized using a Taguchi design of experiments, together with ANOM and ANOVA analyses. Subsequently, three-dimensional hydrodynamic focusing, electric-field distribution, and Joule heating were evaluated under the optimized conditions. The results demonstrated that the proposed design can confine the cell stream to a region of approximately 20 × 20 µm² and generate electric-field strengths required for mammalian-cell electroporation at applied voltages below 1.75 V, while maintaining limited temperature rise due to Joule heating. These findings indicate that the integration of hydrodynamic focusing with reduced electrode spacing can provide an effective strategy for developing low-voltage, continuous-flow electroporation systems with improved control of electrical and thermal conditions. However, owing to the numerical nature of this study and the absence of experimental validation, the results represent a numerical feasibility assessment of the proposed design, and its biological efficacy requires experimental evaluation.

کلیدواژه‌ها English

Electroporation
Microfluidic
Hydrodynamic focusing
Taguchi
Optimization

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 11 شهریور 1405

  • تاریخ دریافت 11 خرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 25 مرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 10 شهریور 1405