微流控芯片技术在血细胞变形和流动性分析研究中的应用进展

近年来，随着微流控芯片技术的快速发展，微流控芯片在生物医学研究领域得到了广泛关注。由于其具有高通量、高灵敏度、集成化、低消耗及可控化等诸多特点，为在多细胞水平研究细胞迁移和分选动力学提供了新的技术平台。利用微流控芯片微通道结构设计灵活的特点，可在实验条件下模拟正常的生理和病理条件下的复杂血管；其微米尺寸的微通道也适于单细胞引入、操纵及检测。因此，用微流控芯片技术在单细胞层面对细胞生物力学性能表征也引起了广泛关注。以健康和疾病中的血细胞为例，从单细胞变形、流动、黏附、机械疲劳等力学性能表征到多细胞迁移及分离动力学等方面归纳目前微流控芯片技术在细胞力学分析和表征方面的研究进展。     

"微纳流动与复杂流体"专刊简介

正二十一世纪初"微流控芯片""基因工程"等高新技术的兴起促进了微纳流体力学的发展。经典流体力学早期就开展了"低雷诺数""多孔介质"等低速、小空间尺度流动的研究,但微纳流动研究的空间或粒子的尺度更小,在一纳米至百微米范围,流动介质涉及细胞液、乳浊液等复杂流体。因此,微纳流动和复杂流体的研究具有了介观尺度的特性和更强的应用背景,需要流体力学、统计物理、化学、材料科学、生物学等多种学科的有机融合。《实验流体力学》适时推出"微纳流动与复杂流体"专刊,初衷是"为促进交流,希望向非力学专业(如化学、生物等)相关领域的学者们介绍微纳流动研究的前沿进展"。     

基于电流监测法的粗糙表面微通道电渗流实验研究

制作2种 PMMA 微流控芯片,对其微通道内表面参数进行测试。基于电流监测法,设计微流控芯片电渗流检测系统。首先测量光滑微通道电渗流速度,验证了实验的可行性,并可以预测微通道的表面电势;然后对粗糙微通道电渗流进行测量;最后对比分析电场强度、溶液浓度等对光滑和粗糙微通道电渗流的影响。结果表明:(1)不规则粗糙表面微通道电渗流速度随电场强度、溶液浓度的变化规律和光滑表面微通道一致;(2)相对于光滑表面微通道,粗糙表面微通道电渗流速度明显降低;当相对微通道深度为5%时,降低幅度约为23%。(3)随着电场强度或者溶液浓度的增大,粗糙和光滑微通道电渗流速度的差距增大。所用实验方法具有直观、方便和成本低的优点。     

现代微分离新技术及在环境与生物医药分析中的应用

分离科学面临的最大挑战是复杂体系中痕量组分的分离分析。为适应复杂体系分析。现代微分离技术成为化学化工和生命科学的研究热点。本文介绍了近五年来现代微分离分析中新技术,包括毛细管电泳、毛细管电色谱、微流控芯片和质谱联用技术;重点综述了这些新技术在环境与生物医药分析中的应用;最后概述了微分离分析技术的发展前景。     

基于时空浓度梯度反演扁平微通道中平均流速的优化算法

微流控通道内流速的准确测量在利用微流控芯片开展定量化学分析、样品制备、药物合成等领域具有重要应用价值。基于物质输运原理,提出了一种通过测量物质时空浓度梯度反演扁平微通道中平均流速的优化算法。首先,基于Navier-Stokes方程与Taylor-Aris弥散方程建立扁平微通道中速度场与浓度场的定量关系,分别提出了用直接反演法和优化算法求解平均流速的方法;其次,通过数值仿真系统地分析了时空浓度变化频率、振幅和扩散系数对反演流速准确度的影响;最后,通过荧光素实验验证了该方法的可行性。结果表明:无噪声情况下,优化算法反演结果与真实速度相关系数为1,具有很高的精度;有噪声情况下,增大物质浓度信号的频率与振幅、采用扩散系数较小的物质有助于提高算法的准确度;在微流控装置中,优化算法反演结果与流量传感器测量计算结果的相关系数为0.9814。     

基于AFM胶体探针测量液固界面DLVO力及表面电势

表面电势是微纳流控芯片中流体流动的重要参数。本文介绍了基于AFM胶体探针技术测量液固界面DLVO力并进一步测量表面电势及表面电荷密度的方法。本文改进了胶体探针制作的技术手段，并提出用双探针法测量胶体探针的弹性系数。在0.1~1mM浓度范围内的NaCl溶液中，测量了硅、二氧化硅和氮化硅液固界面双电层内的DLVO力及表面电势。实验结果表明胶体探针技术可以很好地测量液固界面的DLVO力，尤其对静电力指数变化段非常敏感。通过DLVO力曲线可以间接测量表面电势、表面电荷密度等重要参数，是微纳流动及界面属性测量的有效手段。此外，在不同硅基材料表面的测量结果显示了硅烷醇基密度对表面电势起主导作用，可以通过选用不同硅烷醇基密度的材料来有效调控表面电势，从而在硅基材料制作的微流控芯片中调控电动流动的强弱。     

微通道中液滴和粒子的运动特性研究

微流控技术的快速发展反映了新型检测器件对微型化和集成化的要求，以及当前科学研究和工程应用逐步向多学科交叉领域过渡的趋势。其中，液滴和粒子是微流控技术中两种重要的操控对象。液滴和粒子的微尺度流动通常处于层流范围，然而尺度效应和界面效应将非线性因素引入流动，且受到通道结构、流动条件等多个控制参数的耦合影响，使得微尺度系统表现出多种复杂的流动现象。因此，从流体动力学的机理研究出发揭示微尺度流动的物理机制至关重要。本文综述了课题组近年来关于微通道中液滴和粒子运动的研究，分析了液滴/粒子特征参数的变化规律，界定了不同流动模式的分布状况及临界条件，明确了主导流动的关键参数并建立了相应的受力模型，以期探寻不同行为的操控方法。本文工作可为微尺度下复杂流动理论体系的完善及相关工程应用提供参考。     

低温微磨料气射流加工微流道专用机床

针对目前低温微磨料气射流加工用简易实验装置中存在的问题,研制了低温微磨料气射流加工微流道专用机床。该机床主要由微磨料气射流发生部分、冷却部分、加工部分、磨料回收部分及其控制系统部分组成。首先对机床进行整体设计,保证其具有合理的布局和稳定的结构;其次针对机床的核心部件冷却器进行总体设计、理论计算与仿真分析,并开展测温实验验证设计的合理性,使用PLC控制器和液氮液位监测仪实现冷却器的自动控温;最后设计了四维移动平台,并通过人机交互界面对其进行编程控制。验证实验表明,该机床在低温下可实现对聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)材料的有效冲蚀去除,且加工效果明显好于常温下的加工效果,能够满足微流控芯片的多元化应用需求。     

磁性纳米颗粒对微槽道液体流动的混合增强作用

为了改进微流控芯片中液体混合效率,尝试在一种液体中加入磁性纳米颗粒,增强与另外一种液体混合.在外加磁场作用下,对Y型微槽道中磁性与非磁性液体流动混合进行了实验观测,所需混合长度较无磁场时缩短了约2个数量级.利用CFD软件进行数值模拟,验证了外磁场作用下纳米磁性液体对流动混合有着明显的强化作用.     

流动聚焦微通道中滴流模式下非牛顿液滴生成的实验研究

液滴微流控是微流控领域重要分支,其所涉及的生物流体往往具有非牛顿性质。为深入理解非牛顿性质对液滴生成的影响,配置4种不同流变特性的流体,系统研究流动聚焦微通道中滴流模式下的非牛顿液滴生成。结果表明：与牛顿液滴相比,非牛顿液滴生成表现出更显著的“连珠现象”;不同非牛顿性质对液滴生成的影响截然不同,剪切稀化和弹性效应对液滴尺寸和生成频率的作用相反。液柱颈缩动力学结果显示：单一的剪切稀化效应使得非牛顿液滴液柱颈缩过程与牛顿液滴相似,均只有流动驱动阶段;单一的弹性效应则使得非牛顿液滴液柱颈缩后期出现不同于牛顿流体的毛细驱动阶段;而剪切稀化和弹性效应的共同作用会导致液柱颈缩过程中更显著的毛细驱动阶段和液柱断裂后更显著的“连珠现象”。     

液固界面滑移研究进展

滑移边界条件是流体力学研究中一个悠久而重要的科学问题，在微纳流控研究中备受关注。近年来，对简单流体（如水）在光滑液固界面的滑移长度的量级逐渐取得共识，而对复杂流体在液固界面的滑移研究方兴未艾。本文综述了从简单流体扩展至复杂流体的研究过程中，滑移实验研究的新的测量结果以及理论描述方法。重点介绍了近期Charlaix教授课题组采用表面力仪测量高分子电解液的滑移结果，以从介观角度理解复杂流体在液固界面的滑移及其影响因素。     

基于电磁流体动力搅拌器的微流道混合研究

对于许多微流体装置来说,流体的混合是至关重要的.为了实现微流体混合控制,对基于电磁流体动力学原理的微流道主动混合控制方法进行了研究.该方法中使用了一个混合室,在动态洛伦兹力的作用下,混合室内流体往复周期的运动.流体速度的周期性变化使流体分界面折叠,从而使流体接触面增加.用CCD记录设备记录了流体的快速混合过程,并对流体的混合程度进行定量分析.     

电磁力作用下微型管道中流体流动与混合的实验研究

设计了一种使微管道中导电液体得到混合的方案,利用电场和磁场耦合作用下产生的电磁力作用,使流体产生往复运动及流体界面的弯曲延伸,不同流体的接触面积大大增加,从而提高混合效率.在此基础上搭建了实验平台,利用Micro-PIV系统进行了详细的实验研究,得到了微管道中流体流动的速度场,并对不同电极排列方式下的流场进行分析比较.在实验基础上进行数值验证,并对不同工况下的混合效率进行了分析.结果表明:通过电磁力的扰动作用,确实能有效地提高微管道中流体的混合效率.     

微凹槽内液滴流场特性的Micro-PIV实验研究

液滴已成为微流控技术的重要研究内容。为了精确调控液滴内的微环境，利用微通道矩形长凹槽生成并封裹液滴，并开展了液滴内部流场特性的显微粒子图像测速（Micro-PIV）实验，研究了雷诺数（Re）对液滴形貌、流场速度矢量场特性和剪应力分布的影响。结果表明，当Re=11.1时，液滴内部出现了一个涡胞结构；当Re=33.3时，液滴中心处的流速达到最大值，约为10 μm/s。然而，当Re=44.4时，涡胞消失，平均流速降低。同时，液滴尺寸随Re增加而减小。此外，Re对液滴内部剪应力变化无明显影响，剪应力平均值极低（< 1.5×10-4Pa）。     

原子力显微镜的生物力学实验方法和研究进展

作为微纳尺度的力学工具，原子力显微镜技术被越来越多地应用于生物力学实验研究，推动了该交叉学科领域的发展。利用多种测量模式与改进的探针，原子力显微镜可以在液体中对亚细胞、细胞、组织等多个尺度的生命物质进行力学测量，研究其在衰老、癌变等生命过程中力学性质的动态变化。本文综述了原子力显微镜的力学测量原理、生物力学的实验方法，以及在单细胞的整体与局部、液-液相分离液滴、上皮囊泡组织等力学测量中的应用，分析了复杂流体与微纳尺度流动对实验测量的影响，并对该领域的发展进行了展望。     

电磁流体动力驱动流体搅拌混合器特性研究

对小型电磁流体动力搅拌混合器的特性进行了理论分析和实验研究.该小型电磁动力混合器由聚碳酸脂和黄铜采用常规机械加工方法加工而成.研究采用的流体为氯化钠水溶液.为了观察流体的搅拌混合运动,在流体中加入微量微细玻璃珠作为示踪粒子.采用显微观测及图像采集技术记录流体的搅拌混合过程,用数字图像处理技术对流体速度场进行分析.建立了搅拌混合器的理论模型,并对其动力特性进行了数值分析,理论结果与实验结果相吻合.该小型电磁动力混合器已应用于微管道流动的混合控制并可应用于其它微流体控制系统中.     

基于低密度粒子图像叠加的Micro-PIV速度场测量

提出了一种基于低密度粒子图像的微流体粒子图像全场测速技术.经过背景噪声去除、阈值过滤、图像增强等图像预处理过程,获得了高质量的低密度荧光示踪粒子图像.对100对图像进行图像叠加处理,得到了满足互相关算法求解二维速度场的高密度叠加粒子图像.针对宽度为250μm,深60μm的长直微通道开展了覆盖全场不同流体层平面的二维速度测量,并利用多个流体平面的二维速度场实现了微通道内全场速度的构建.研究结果表明:由于图像叠加法去除了像径大但灰度低的背景粒子图像,采用互相关分析能够准确获得分层二维速度场,所构建的全场速度场正确反映了长直微通道内流流场特征.     

材力中的静态直流数字微应变仪的原理及实践

通过对应变电桥的理论分析和对ＯＰ０７，７６５０芯片的性能研究，介绍了如何把第四代高性能运放７６５０应用到材料力学微应变检测中的电路原理及具体实施方法     

圆柱形微凹坑表面织构对流体动压润滑性能的影响

通过建立具有规则田往形微凹坑分布的表面织构流体动压润滑模型,分析了微凹坑几何参数及微凹坑分布形式对流体动压润滑性能的影响.研究结果表明:在微凹坑直径及深径比不变时,存在最优的微凹坑面积率,约为30%;在微凹坑分布密度不变时,存在最优的深径比,约为0.027.在此最优微凹坑面积率及深径比下,本文创新性地通过优化微凹坑的分布形式,进一步提高了润滑膜承载力21.7%.研究结果对进一步的研究工作提供了理论依据,具有指导意义.     

复杂流体中Janus微马达自扩散泳特性的实验研究

Janus微纳马达在生物医学中作为药物输运的载体或在复杂工况中作为微纳机器人的动力部件具有广阔的应用前景。已有研究主要集中于Janus微纳马达在水溶液等简单流体中的运动，而对其在复杂流体中的运动机理及特性的研究仍非常缺乏。通过实验测量了直径2.06 μm的Janus球形微马达在高聚物聚氧化乙烯（PEO）溶液中的自扩散泳特性，实验结果系统描述了高聚物质量分数对Janus微马达自扩散泳速度、运动均方位移（MSD）及转动特性的影响。实验结果显示:高聚物的加入，不仅会影响溶液黏度，还会导致自驱动MSD在短时间段显示亚扩散特性，在推进段显示随高聚物质量分数改变的超扩散特性，甚至还会导致反常的微马达旋转加快现象。