刘跃1，周玉莹2，3，张文昌3，陈少华1，梁圣法3
1. 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院（北京 100101）
2. 中国科学院大学 集成电路学院（北京 100049）
3. 中国科学院微电子研究所 微电子器件与集成技术研发中心（北京 100029）
基金项目：国家重点研发计划（2022YFA1603504）；国家自然科学基金（62104248，62003047）
通信作者：陈少华，Email：20172056@bistu.edu.cn；梁圣法，Email：liangshengfa@ime.ac.cn
引用本文：刘跃, 周玉莹, 张文昌, 等. 柔性尖端耦合气泡的高稳定性增强型超声微流控结构. 生物医学工程学杂志, 2024, 41(5): 919-925, 934. DOI: 10.7507/1001-5515.202401076.
微流控技术是一种可以实现微米尺度下微小量级液体精准操控的技术，具有高通量、低消耗、便携性、易用性等独特优势，在细胞分析、分选、操控以及液体混合、浓度梯度产生等方面具有广泛应用。其中，超声微流控器件因结构简单、易于并行扩展、生物兼容性好、即时诊断（point of care testing，POCT）集成潜力大等优势，正受到越来越多的关注。
超声微流控技术通过将压电换能器的机械驱动转换为微流道结构固/液界面或气/液界面的周期性振荡，实现周围流体扰动。通过调整界面位置、角度及外部激励条件（频率、幅值等），实现流场特定扰动模式，在微尺度、高时/空分辨率操控领域具有独特优势，在样本混合和实时、连续反应分析方面具有巨大的应用潜力。按照界面材料类型划分，目前常用的超声微流控器件主要包括柔性尖端结构[通常为PDMS（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）尖端]和气泡结构。然而，常规柔性尖端结构受限于微结构的尺寸依赖性，无法实现大范围的有效扰动；气泡结构热稳定性较差，无法长时间稳定工作。
本文提出一种结合柔性尖端结构和气泡结构的增强型超声微流控结构，实现流场扰动效果增强以及气泡寿命的延长。在柔性尖端耦合气泡结构，可以有效实现振荡结构的扰动级联放大，同时减少PDMS与气泡的固/气界面热量传导，从而实现气泡寿命的延长。本研究首先利用有限元分析方法对超声激励下柔性尖端、气泡、耦合三种结构的流场分布特性进行仿真，得到速度场稳态分布特性（见图1）。然后，设计并制备三种结构的超声微流控芯片，利用2.8 μm聚苯乙烯微球作为示踪粒子对流场扰动特性进行分析（见图2）。此外，对贴壁气泡和耦合结构中气泡尺寸及生长速度进行分析。最后，利用人血红细胞（red blood cells，RBCs）对耦合结构的生物样本适用性进行验证。实验结果表明，相比于柔性尖端及贴壁气泡结构，耦合结构的流场扰动范围分别提高439.53%和133.48%；气泡生长速率可由14.4%降低至3.3%。相比于传统基于尖端和气泡微流道结构的超声微流控器件，尖端耦合气泡结构具有强扰动性、高稳定型以及良好的生物适用性。本文提出的增强型超声微流控结构有望在微米尺度流场扰动及颗粒操控方面广泛应用。
图1 流场仿真结果
图2 微球超声扰动实验结果 a. 尖端结构扰动微球团；b. 气泡结构扰动微球团；c. 耦合结构扰动微球团；d. 尖端结构微球运动轨迹；e. 气泡结构微球运动轨迹；f. 耦合结构微球运动轨迹
本研究全文发表于《生物医学工程学杂志》41卷5期，扫描下方二维码可阅读全文。
主要作者简介
刘跃，女，1999年出生，北京人。北京信息科技大学硕士研究生，研究方向为超声微流控器件。
周玉莹，女，2001年出生，安徽合肥人。中国科学院大学微电子研究所研究生，研究方向为薄膜晶体管生物传感器。
梁圣法，博士，副研究员。博士毕业于中国科学院大学。主要研究方向为新型微纳器件制备与传感应用。
陈少华，博士，硕导，教授。博士毕业于北京航空航天大学。主要研究方向为生物医学检测技术及仪器。
编辑：李蓓兰
排版：张洪雪
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