三維(3D)螺旋微流控技術(shù)的發(fā)展為利用慣性聚焦分析小體積液體開辟了新的途徑,從而推進(jìn)了化學(xué)、物理和生物學(xué)科的發(fā)展。傳統(tǒng)的直線型微通道完全依賴于慣性升力,而新型的螺旋幾何結(jié)構(gòu)微通道可以產(chǎn)生迪恩(Dean)阻力,從而消除了流體操控中對(duì)外場(chǎng)的需要。然而,制造3D螺旋微流控器件需要耗費(fèi)大量的人力,并且制造成本高昂,從而阻礙了其廣泛應(yīng)用。此外,傳統(tǒng)的光刻方法主要用于二維(2D)平面器件的制造,從而限制了微流控器件的制造材料和幾何結(jié)構(gòu)的選擇。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),來自日本東北大學(xué)(Tohoku University)的研究人員提出了一種用于3D螺旋微流控器件的簡(jiǎn)化制造方法,該方法在微型化熱拉伸工藝中使用旋轉(zhuǎn)力,因此被命名為“mini-rTDP”。這一創(chuàng)新方法可以實(shí)現(xiàn)基于扭曲纖維的微流控器件的快速原型設(shè)計(jì),并且具有材料選擇的通用性和高度的幾何復(fù)雜性。
為了驗(yàn)證所制造微流控器件的性能,研究人員將計(jì)算建模與微層析粒子圖像測(cè)速(μ-TPIV)技術(shù)相結(jié)合,全面表征了器件的3D流動(dòng)動(dòng)力學(xué)。研究結(jié)果表明,利用這些3D螺旋微流控器件可以產(chǎn)生穩(wěn)定的二次流,從而證實(shí)了所提出方法的有效性。總而言之,該研究提出的3D螺旋微流控平臺(tái)為探索復(fù)雜的微流動(dòng)力學(xué)鋪平了道路,在藥物遞送、診斷和芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果近期以“Twisted fiber microfluidics: a cutting-edge approach to 3D spiral devices”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
為了在微觀尺度上制造具有3D螺旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)的纖維,研究人員制造了一種基于聚碳酸酯(PC)材料的預(yù)制件。這種預(yù)制件具有形狀為正方形、長(zhǎng)方形或圓形的中空通道,尺寸為毫米級(jí),通過標(biāo)準(zhǔn)的宏觀加工工藝制造而成。預(yù)制件作為使用熱拉伸或其他纖維制造技術(shù)拉制纖維的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),其內(nèi)部中空通道形狀的選擇取決于最終獲得的纖維所需的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
3D螺旋纖維的制造過程
從所制造的纖維的橫截面圖中(圖1c)可以看出,中空通道并不是沿著中心線設(shè)置的,相反,它們被有意設(shè)置在偏離中心的位置。這種偏離中心的設(shè)置方式可以在熱拉伸過程中在纖維內(nèi)產(chǎn)生3D螺旋結(jié)構(gòu)。這種方法將螺旋節(jié)距與拉伸速度和旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)聯(lián),從而能夠在纖維制造過程中精確控制螺旋結(jié)構(gòu)的節(jié)距。通過微調(diào)這些參數(shù),可以獲得所需的螺旋節(jié)距,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)最終獲得的纖維內(nèi)部螺旋圖案的定制和優(yōu)化。
帶內(nèi)螺旋結(jié)構(gòu)的纖維原型
隨后,研究人員進(jìn)行了詳細(xì)的仿真研究,以探索這些3D微流控器件中的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)。此外,研究人員還采用了一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)——微層析粒子圖像測(cè)速(μ-TPIV)技術(shù),來可視化3D螺旋微流控器件內(nèi)部的3D速度場(chǎng)。這種方法為洞悉纖維內(nèi)部的基本流動(dòng)機(jī)制提供了寶貴的手段。仿真和μ-TPIV結(jié)果表明,在高流速條件下,在纖維內(nèi)的3D螺旋微流控結(jié)構(gòu)中成功生成了迪恩渦,證明了該方法在操控流體動(dòng)力學(xué)方面的效率及其在調(diào)整粒子平衡位置方面的潛力。
基于微流控器件的3D螺旋通道纖維及其一次流仿真研究
3D螺旋微流控纖維y-z流向法向切片的仿真與μ-TPIV時(shí)間平均測(cè)量結(jié)果的對(duì)比
展望未來,研究人員將進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和分析,以加深對(duì)迪恩渦等二次流模式與微流控器件幾何變量之間關(guān)系的理解。這將包括探索通道剖面、螺旋幾何形狀和其他設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)迪恩渦的形成和行為的影響。
審核編輯:劉清
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微流控器件
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原文標(biāo)題:基于扭曲纖維的3D螺旋微流控器件
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