物理学
激光诱导前向转移单细胞的热分析
2017-11-17
激光诱导前向转移技术(Laser induced forward transfer,LIFT)是激光聚焦在被传送物质表面,将表面材料部分烧蚀,形成高压冲击波将物质传送。常用于微物质的转移,如金属、聚合物、生物材料、甚至活细胞。然而,LIFT技术在转移活细胞时,激光产生高温可能导致细胞在分离过程中受到热损伤。因此,为了控制细胞的损伤,对LIFT转移细胞进行建模,研究激光脉冲能量,光斑直径和钛层厚度对细胞的热作用是必要的。本文采用双温方程对纳秒激光与钛层热作用进行数值建模,获得钛层的温度方程。建立了热传导模型,Z轴为对称轴,其余各边为自由边界条件。在热作用初期,激光热致空化在成核期(约10μs),流体近似为静止,可忽略两相间的热对流和热辐射。当温度高于37℃时,细胞可能出现一些功能性损伤。因此,主要讨论在热作用过程中,细胞内最高温度和高于37℃(即310K)的高温面积比。随着激光脉冲能量的提高,钛层吸收热量增大,导致细胞的受热面积增加,在100μs内,细胞内高温面积比随着热扩散作用不断增加。当脉冲能量为1μJ时,细胞内高温面积比在15μs达到峰值,约为1.2%,而在50μs时细胞内各处温度小于310K,细胞不再受热。细胞内高温面积比随着光斑直径的增加都呈现先增加后减小的趋势,但其达到极大值的时间逐渐减小,20、40、60时胞内高温面积达到极大值的时间大致分别是70、20、10μs,表明钛层温度越高时需要更多的时间将热扩散到细胞内。当光斑直径为80μm时,100μs内细胞各处温度都小于310K,细胞不再受热。钛层厚度从20nm增加到120nm,细胞内高温面积比都呈现先增加后减小的趋势,约在2.2%-2.6%,且都在30μs达到极大值,钛层的厚度变化对细胞内温度场的影响较小。仿真结果表明,激光脉冲能量对细胞的温度场影响最大,其次是光斑直径,钛层厚度影响最小。当激光脉冲能量为1μJ,光斑直径为80μm,钛层厚度为120nm时可忽略LIFT技术转移细胞产生的热损伤。
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