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，從而推進了化學、物理和生物學科的發(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外場的需要。然而，制造3D螺旋微流控器件需要耗費大量的人力，并且制造成本高昂，從而阻礙了其廣泛應用。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)麥姆斯咨詢報道，為應對上述挑戰(zhàn)，來自日本東北大學（Tohoku University）的研究人員提出了一種用于3D螺旋微流控器件的簡化制造方法，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)新方法可以實現(xiàn)基于扭曲纖維的微流控器件的快速原型設計，并且具有材料選擇的通用性和高度的幾何復雜性。

為了驗證所制造微流控器件的性能，研究人員將計算建模與微層析粒子圖像測速（μ-TPIV）技術(shù)相結(jié)合，全面表征了器件的3D流動動力學。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，從而證實了所提出方法的有效性?？偠灾?，該研究提出的3D螺旋微流控平臺為探索復雜的微流動力學鋪平了道路，在藥物遞送、診斷和芯片實驗室系統(tǒng)等領域具有廣闊的應用前景。相關研究成果近期以“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）材料的預制件。這種預制件具有形狀為正方形、長方形或圓形的中空通道，尺寸為毫米級，通過標準的宏觀加工工藝制造而成。預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置的，相反，它們被有意設置在偏離中心的位置。這種偏離中心的設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，從而實現(xiàn)對最終獲得的纖維內(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，研究人員進行了詳細的仿真研究，以探索這些3D微流控器件中的流動動力學。此外，研究人員還采用了一種新的實驗技術(shù)——微層析粒子圖像測速（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。這種方法為洞悉纖維內(nèi)部的基本流動機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力學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時間平均測量結(jié)果的對比

展望未來，研究人員將進行進一步的實驗和分析，以加深對迪恩渦等二次流模式與微流控器件幾何變量之間關系的理解。這將包括探索通道剖面、螺旋幾何形狀和其他設計參數(shù)對迪恩渦的形成和行為的影響。

審核編輯：劉清