非对称周期阵列中的鞭毛传输增强

主动游动者在自然界中无处不在，存在于从细菌到脊椎鱼类的许多不同生物系统中。尤其重要的是精子细胞，这类游动者对包括人类在内的许多物种的生存至关重要。尽管已有数十年的研究，精子在诸如宫颈通道或辅助生殖技术中使用的微流控设备等复杂微环境中的流体物理仍不清楚。最近，一种具有周期柱阵列的新型微流控装置被开发出来，并显示出比现有方法更有效地筛选具有更好运动能力、形态和 DNA 完整性的精子细胞。受此启发，本文提出一个多尺度模型，旨在提供对精子在此类周期几何结构中运动行为的物理见解。我们的模型将精子的涨落流体动力学模型与概率离散时间格子方法相结合，并展示了流体动力学与边界相互作用如何促进该柱阵列中精子细胞速度和持续长度的增强。我们随后讨论了这种鞭毛传输的增强如何与其倾向性相关，并绘制了相图。我们的发现不仅阐明了周期阵列中鞭毛游动者的流体物理，还在生育之外广泛领域（包括仿生机器人、疾病检测和药物递送）具有直接意义。