Modelado de espermatozoides humanos ultraconfinados

Abstract

El aumento de la infertilidad humana genera la necesidad de mejorar los métodos de diagnóstico y tratamiento de problemas de fertilidad. Con el objetivo de realizar aportes que ayuden a la transferencia tecnológica a la industria, se estudió y modelo fenómenos de transporte confinado de espermatozoides humanos utilizando principios y métodos de física estadística, fluidos, biofísica y física computacional. Se investigó la dinámica espermática en dispositivos microfluídicos ultraconfinados, es decir, dentro de microcanales de unas pocas micras. El fin a largo plazo es la transferencia de estos dispositivos tipo Lab On a Chip con miles de microcanales a la clínica, por lo cual estudiar la dinámica en su interior es muy importante. En particular, se estudió la distribución de espermatozoides y la formación de clusters dentro de microcanales variando tanto las dimensiones de su geometría como la densidad de la población. Las dimensiones óptimas que se concluye proponer son: para el ancho dos diámetros celulares, (es decir, 10μm), y para el largo entre 60 a 120 diámetros, (es decir, 300 a 600 μm respectivamente). En suma, se observó una discrepancia entre las predicciones numéricas usando un modelo como el de [Guidobaldi15] y [Bettera20], y los experimentos. Gracias a los resultados obtenidos se logró proponer un modelo más realista de la dinámica ultraconfinada observada en 3D mostrando que la misma no es igual a la dinámica espermática dentro de grandes cavidades o dispositivos.

The increase in human infertility generates the need to improve the methods of diagnosis and treatment of fertility problems. With the aim of making contributions to help technology transfer to the industry, confined transport phenomena of human spermatozoa were studied and modeled using principles and methods of statistical physics, fluids, biophysics and computational physics. Sperm dynamics was investigated in ultra-confined microfluidic devices, i.e., within microchannels of a few microns. The long-term goal is to transfer these Lab On a Chip devices with thousands of microchannels to the clinic, so studying the dynamics inside them is very important. In particular, the distribution of spermatozoa and the formation of clusters within microchannels was studied by varying both the dimensions of their geometry and the population density. The optimal dimensions that we concluded to propose are: for width two cell diameters, (i.e., 10μm), and for length between 60 and 120 diameters, (i.e., 300 to 600 μm respectively). In sum, a discrepancy was observed between numerical predictions using a model such as that of [Guidobaldi15] and [Bettera20], and experiments. Thanks to the results obtained, it was possible to propose a more realistic model of the ultra-confined dynamics observed in 3D showing that it is not the same as the sperm dynamics inside large cavities or devices.