Micro-Viscosímetro para Medir el Cizallamiento-Variable Viscosidad de la sangre sobre una velocidad de corte ancha

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Micro-Viscosímetro para Medir el Cizallamiento-Variable Viscosidad de la sangre sobre una velocidad de corte ancha

Resumen: En este estudio, se desarrolla un micro-viscosímetro para medir la viscosidad de la sangre variante de corte sobre una amplia tasa de cizallamiento. El micro-viscosímetro consta de 10 matrices de canales microfluídicas, cada una de los cuales tiene un ancho de micro-canal diferente. El diseño propuesto permite la recuperación de 10 velocidades de cizallamiento a partir de una velocidad de flujo única, permitiendo de este modo la medición de la viscosidad de la sangre que varía en forma de cizallamiento con una condición de caudal fijo. Para ello, un diseño óptimo que garantice una viscosidad precisa la medición se selecciona de un estudio paramétrico. La funcionalidad del micro-viscosímetro se verifica tanto por estudios numéricos como experimentales. El micro-viscosímetro propuesto muestra un 6,8% (numérico) y 5,3% (experimental) en error relativo en comparación con el resultado de una rotación estándar viscosímetro. Además, se realiza una prueba de fiabilidad mediante mediciones repetidas (N = 7), y el resultado muestra 2,69 ± 2,19% para el error relativo medio. Mediciones exactas de la viscosidad se realizan en muestras de sangre con variaciones en el hematocrito (35%, 45% y 55%), lo que influye significativamente viscosidad de la sangre. Dado que la viscosidad de la sangre se correlaciona con diversos parámetros físicos de la sangre, se anticipa que el micro-viscosímetro sea un avance significativo para la realización de la sangre en un chip.

Palabras llave: micro-viscosímetro; viscosidad variable de corte; viscosidad de la sangre; matriz de microcanal

1. Introducción

La sangre proporciona la fuente más diversa y compleja de información sobre un cuerpo entre los seres humanos biofluidos. Decenios de estudios han demostrado que los parámetros físicos de la sangre se correlacionan con diversas enfermedades cardiovasculares, como la hipertensión [1,2], la diabetes [3], el infarto de miocardio [4], y la enfermedad coronaria del corazón [5]. Por lo tanto, se espera que un análisis exhaustivo de las características físicas de la sangre pueden permitir un diagnóstico preciso y rápido de las enfermedades cardiovasculares o ayuda en la monitorización del paciente. Específicamente, la viscosidad de la sangre se conoce como un indicador representativo que es influenciado por las características de las células sanguíneas (tales como hematocrito, deformabilidad, agregación) y plasma viscosidad [6]. Por lo tanto, la medición precisa de la viscosidad de la sangre es esencial para una análisis de los diversos indicadores físicos en la sangre. La viscosidad como término hidrodinámico es una medida de la fuerza de resistencia que actúa contra la Fuerza de corte. La sangre, especialmente, es un líquido no newtoniano representativo, es decir, su viscosidad varía de acuerdo con a la velocidad de cizallamiento. Esto implica que el objetivo más importante en la medición de la viscosidad de la sangre es obtener un valor de viscosidad único a una velocidad de cizallamiento específica, pero también valores de viscosidad una amplia gama de velocidades de corte. Los métodos convencionales para medir la viscosidad a escala macroscópica incluyen el uso respectivo de una viscosímetro capilar, viscosímetro de bola descendente y viscosímetro rotacional [7]. Al aprovechar las fuerzas gravitatorias

fuerza, métodos para medir la velocidad de un fluido accionado por capilaridad o la velocidad de una bola que cae en una tubo lleno de líquido se han desarrollado. Estos métodos clásicos son precisos; sin embargo, tienen limitaciones en el control activo de las condiciones de velocidad de cizallamiento. Los viscosímetros rotacionales que cilindro coaxial o un cono y una placa superan este problema variando la velocidad angular de la cilindro o cono. Además, es posible que se requiera una condición de velocidad de cizallamiento ancha para medir la viscosidad de un fluido no newtoniano como la sangre. Sin embargo, este enfoque es desventajoso en términos del equipo voluminoso y costoso requerido, el consumo grande de la muestra, y el largo tiempo de medición.

Las limitaciones anteriores han llevado a la introducción de la medición de la viscosidad microfluídica técnicas que pueden medir la viscosidad en un corto período de tiempo con sólo una pequeña cantidad de muestra. Algunos de los viscosímetros microfluídicos operan con sistemas especiales (por ejemplo, mojadura electro- eléctrica sobre dieléctrico [8], una pinza óptica [9], y un campo magnético [10]). Sin embargo, debido a la complejidad de los sensores y sistemas operativos, viscosímetros accionados por capilaridad y presión han sido ampliamente estudiados. El viscosímetro accionado por capilares puede estimar la viscosidad midiendo la velocidad de un fluido de muestra fluyendo dentro del canal capilar con una configuración serpentina [11, 12]. Además, un viscosímetro que puede medir la viscosidad fluídica no newtoniana midiendo la velocidad media de un fluido de muestra desaceleración en un canal capilar se ha informado [13]. El dispositivo que emplea este concepto es fácil para fabricar, y la medición de viscosidad es posible con una cantidad extremadamente pequeña de muestra fluido. Sin embargo, un flujo capilar es muy sensible a las propiedades de la superficie y por lo tanto requiere muy similar para cada dispositivo con el fin de garantizar un rendimiento de medición fiable. Además, dentro de una geometría dada, el rango de velocidad de cizalladura medible no puede manipularse activamente.

En contraste con los métodos capilares, muchos viscosímetros a presión que son capaces del control activo de la velocidad de cizallamiento. Existen varios enfoques para medir la viscosidad mediante la medición de diversos factores mecánicos y eléctricos, tales como la vibración espectro de ruido [14], voltaje de descenso del hilo vibratorio [15], caída de tensión por cantiléver deflexión [16], y la resistencia eléctrica del flujo de sangre [17]. Estos métodos permiten una medición de viscosidad con una cantidad muy pequeña de fluido de muestra; sin embargo, requieren complejos dispositivos y sistemas. Mientras tanto, un método para estimar la viscosidad midiendo la presión en un micro-canal se desarrolló [18, 19]. Aunque no requiere una configuración de dispositivo complicada, electrodos, así como un procedimiento de calibración que convierte la presión en viscosidad. Para esto razón, el método de análisis del límite fluídico mediante el uso del fluido de referencia con el tiene la ventaja de no requerir un electrodo adicional. Basándose en esta idea, los métodos de medición de la viscosidad por adquisición de imágenes y procesamiento del área de sección transversal [20] o del canal anchura [21] a un caudal dado. Mientras tanto, otro dispositivo mide la viscosidad usando los valores de una relación de caudal en una determinada posición límite [22]. Otro grupo propuso un método de determinar una relación de caudal en el momento de producirse un flujo inverso debido a la relación hidrodinámica equilibrando en un canal de unión [23, 24]. Nuestro grupo desarrolló una técnica de medición de la viscosidad usando hidráulicos [25, 26], que puede medir la viscosidad simplemente contando el número de canales llenos de fluidos de referencia y muestras. Las metodologías anteriores no requieren una electrodos o configuraciones de dispositivos complicadas. Sin embargo, proporcionan un valor de viscosidad único a una velocidad de cizallamiento particular desde una condición de caudal dada. Para el caso de las mediciones de viscosidad de un líquido no newtoniano, tal como sangre, condiciones de velocidad de cizallamiento múltiple con respecto al número de los datos de viscosidad son cruciales para obtener.

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