用于海胆幼虫流体动力学研究的微流控技术

大多数海洋无脊椎动物的生命周期在变态为底栖成体之前都包含一个浮游幼虫阶段。在幼虫阶段，纤毛介导的活动使其能够摄食（捕获单细胞藻类）并运输生长、发育及成功变态所需的物质（氧气）。研究这些行为背后的流体动力学对于解决基础生物学问题（如表型可塑性）和推动工程应用具有重要价值。在本工作中，我们结合微流控技术和荧光显微镜作为微型粒子图像测速（mPIV），研究了海胆幼虫（Dendraster excentricus）悬浮摄食过程中的纤毛介导流体动力学。首先，我们通过检查低喂食量和高喂食量幼虫的底层流体动力学（涡旋模式），确认了该方法的可行性。接下来，我们对 21 只低喂食量幼虫从受精后 11 天（DPF）到 20 DPF 的纤毛流体动力学进行了追踪。微流控技术使得我们能够在无外部流动的情况下检查基线活动，以及在存在环境线索（外部流动）时的行为。我们生成并共享了一个定性涡旋模式库和定量流体动力学数据库作为独立存储库。mPIV 结果（速度）被用于检验纤毛活动在物质（氧气）运输中的作用。鉴于幼虫周围环境的层流和粘度主导特性，克服扩散边界层对生物体的生存至关重要。针对氧气传输的 Peclet 数分析表明，纤毛速度有助于克服扩散主导的传输（最大 Pe 数介于 30-60 之间）。作为 mPIV 的微流控技术为研究海洋生物的纤毛流体动力学提供了一种可扩展且易于获取的方法。