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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中精確控制螺旋結(jié)構(gòu)的節(jié)距。通過(guò)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(lái)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(lái)，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