基于扭曲纤维的3D螺旋微流控器件

原创 MEMS 2024-02-22 00:01

三维(3D)螺旋微流控技术的发展为利用惯性聚焦分析小体积液体开辟了新的途径,从而推进了化学、物理和生物学科的发展。传统的直线型微通道完全依赖于惯性升力,而新型的螺旋几何结构微通道可以产生迪恩(Dean)阻力,从而消除了流体操控中对外场的需要。然而,制造3D螺旋微流控器件需要耗费大量的人力,并且制造成本高昂,从而阻碍了其广泛应用。此外,传统的光刻方法主要用于二维(2D)平面器件的制造,从而限制了微流控器件的制造材料和几何结构的选择。

据麦姆斯咨询报道,为应对上述挑战,来自日本东北大学(Tohoku University)的研究人员提出了一种用于3D螺旋微流控器件的简化制造方法,该方法在微型化热拉伸工艺中使用旋转力,因此被命名为“mini-rTDP”。这一创新方法可以实现基于扭曲纤维的微流控器件的快速原型设计,并且具有材料选择的通用性和高度的几何复杂性。

为了验证所制造微流控器件的性能,研究人员将计算建模与微层析粒子图像测速(μ-TPIV)技术相结合,全面表征了器件的3D流动动力学。研究结果表明,利用这些3D螺旋微流控器件可以产生稳定的二次流,从而证实了所提出方法的有效性。总而言之,该研究提出的3D螺旋微流控平台为探索复杂的微流动力学铺平了道路,在药物递送、诊断和芯片实验室系统等领域具有广阔的应用前景。相关研究成果近期以“Twisted fiber microfluidics: a cutting-edge approach to 3D spiral devices”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

为了在微观尺度上制造具有3D螺旋内部结构的纤维,研究人员制造了一种基于聚碳酸酯(PC)材料的预制件。这种预制件具有形状为正方形、长方形或圆形的中空通道,尺寸为毫米级,通过标准的宏观加工工艺制造而成。预制件作为使用热拉伸或其他纤维制造技术拉制纤维的基础结构,其内部中空通道形状的选择取决于最终获得的纤维所需的内部结构。


3D螺旋纤维的制造过程

从所制造的纤维的横截面图中(图1c)可以看出,中空通道并不是沿着中心线设置的,相反,它们被有意设置在偏离中心的位置。这种偏离中心的设置方式可以在热拉伸过程中在纤维内产生3D螺旋结构。这种方法将螺旋节距与拉伸速度和旋转速度相关联,从而能够在纤维制造过程中精确控制螺旋结构的节距。通过微调这些参数,可以获得所需的螺旋节距,从而实现对最终获得的纤维内部螺旋图案的定制和优化。


带内螺旋结构的纤维原型

随后,研究人员进行了详细的仿真研究,以探索这些3D微流控器件中的流动动力学。此外,研究人员还采用了一种新的实验技术——微层析粒子图像测速(μ-TPIV)技术,来可视化3D螺旋微流控器件内部的3D速度场。这种方法为洞悉纤维内部的基本流动机制提供了宝贵的手段。仿真和μ-TPIV结果表明,在高流速条件下,在纤维内的3D螺旋微流控结构中成功生成了迪恩涡,证明了该方法在操控流体动力学方面的效率及其在调整粒子平衡位置方面的潜力。


基于微流控器件的3D螺旋通道纤维及其一次流仿真研究


3D螺旋微流控纤维y-z流向法向切片的仿真与μ-TPIV时间平均测量结果的对比

展望未来,研究人员将进行进一步的实验和分析,以加深对迪恩涡等二次流模式与微流控器件几何变量之间关系的理解。这将包括探索通道剖面、螺旋几何形状和其他设计参数对迪恩涡的形成和行为的影响。

论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00642-9

延伸阅读:
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
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