扬州大学尹彬沣&吴闯等人：流速对微流控芯片中层流的影响

虎威将军

基于微流控层流技术制备的凝胶纤维在构建仿生支架和组织工程方面具有重要的研究价值。微流控层流技术的关键是在微管内找到合适的流体流速。




近期，扬州大学尹彬沣副教授、吴闯等人设计了一种具有中间主管道和三个外围管道的微流控芯片，研究了不同流速对微流控芯片中层流现象的影响，并优化了流速条件以稳定制备凝胶纤维，为微流控技术的组织工程应用提供了重要参考。相关研究内容以“Effect of Flow Velocity on Laminar Flow in Microfluidic Chips”为题目发表于期刊《Micromachines》。


本文要点：
1、本研究设计了一种具有中间主管道和三个外围管道的微流控芯片，通过流体动力学模拟和有限元分析探讨了流速对微流控芯片层流现象的影响。
2、对不同的流体成分和流速组合进行一系列优化调整，以实现流体的稳定层流状态。
3、结果表明，当外相海藻酸钠浓度为1 wt%，内相CaCl2浓度为0.1 wt%时，制备的凝胶纤维形状良好，流速最稳定，且当流速均为1 mL/h时层流最明显。
4、该研究在探索层流速率和制备凝胶纤维方面取得了初步成果，为微流体层流技术的进一步发展提供了重要参考。

在微流控芯片中实现稳定层流的关键因素包括：
1、流速控制：流速的精确控制对于维持微流控芯片中的层流状态至关重要。流速过快可能导致层流转变为湍流，而流速过慢则可能影响流体的混合和传输效率。
2、流体的粘度和密度：流体的物理性质，如粘度和密度，也会影响流动模式。高粘度流体更倾向于形成层流，而低粘度流体则容易形成湍流。
3、通道几何形状和尺寸：微流控芯片的通道尺寸和形状对流体流动模式具有显著影响。较小的通道尺寸有助于维持层流状态。
4、流体的雷诺数：雷诺数是描述流体流动状态的一个重要参数，通常认为雷诺数小于2000时流体为层流状态。
5、流体成分的优化：不同的流体成分组合对层流状态也存在影响。例如，外相海藻酸钠浓度为1 wt%、内相CaCl2浓度为0.1 wt%时，制备的凝胶纤维形态良好，流速最稳定，且层流现象明显。

该研究采用数值模拟、实验观察和流速分析等多种方法，全面探讨了微流控芯片内的流体动力学特性，为微流控层流技术的应用提供了重要参考，具体如下：
1、采用ANSYS软件进行有限元分析，构建流体动力学模型，探讨流速对微流控芯片层流现象的影响。
2、通过设置不同的流体组成和流速组合，观察流体在微流控芯片内的流动状态，并对其进行适当调整，以实现流体的稳定层流状态。
3、采用染料标记流体，利用明场和荧光显微镜观察流体在微流控芯片内部交汇点的层流现象。
4、分析流体在微流控芯片内部不同位置的流速分布，包括进口、交汇点以及出口处的流速变化情况。

微流控技术制备的凝胶纤维在多个领域展现出广泛的应用潜力，包括但不限于：
1、组织工程：凝胶纤维可以作为组织工程的支架材料，用于模拟和重建天然细胞外基质的结构和功能，促进细胞生长和组织再生。
2、药物输送系统：刺激响应型水凝胶纤维可以用于控制药物释放，通过环境变化（如温度变化）来实现药物的“开/关”控制释放，这对于精准医疗具有重要意义。
3、生物传感器：由于凝胶纤维的高机械性能和智能响应能力，它们可以被用于传感器和诊断设备，尤其是在需要模拟生物组织反应的场合。
4、伤口敷料：具有抗菌和抗炎特性的纤维状水凝胶可作为伤口敷料，促进伤口愈合并减少感染风险。




图1.微流控芯片的制备过程。




图2.流体注入：（a）第一种注入方法；（b）第二种注射方法。




图3.微流控芯片流体实验图：（a）微流控芯片；（b）染色液体注入。




图4.微流控芯片入口1的有限元图：（a）全景图；（b）入口1流向模拟图；（c）入口1流速分布图。




图5.微流控芯片从入口2到入口4的有限元图：（a）全景图；（b）入口4的速度分布图；（c）入口3的流向模拟图；（d）入口2的速度分布图。




图6.微流控芯片交叉点的有限元图：（a）全景图；（b）1号交叉口流速分布；（c）2号交叉口流速分布；（d）3号交叉口流速分布。




图7.微流控芯片入口有限元图：（a）全景图；（b）入口1处的流速分布；（c）入口2处的流速分布；（d）入口3的流速分布图；（e）入口4的流速分布图。




图8.微流控芯片交叉点的有限元图：（a）全景图；（b）交叉口1处的流速分布；（c）交叉口2处的流速分布；（d）交叉口3处的流速分布。




图9.实验1：第1组：流体交汇处的现象：（a-c）交汇过程；（d）层流现象。




图10.实验1：第1组中的流体回流现象：（a）外部流体回流现象；（b）外部流体完全回流到中间管道。




图11.实验2中的流体现象：（a,b）流速为0.1 mL/h时外部流体的回填；（c,d）流速为0.5mL/h时的稳定层流状态；（e,f）流速为0.6 mL/h时的稳定层流状态；（g）流速为0.7mL/h时的稳定层流状态；（h）流速为0.8 mL/h时，层流状态稳定；（i）流速为0.9 mL/h时，层流状态稳定；（j）流速为1.0 mL/h时，层流状态稳定。




图12.实验3中的流体现象：（a）第1组的层流状态；（b）第2组的层流状态；（c）第3组的层流状态；（d）第4组的层流状态。




图13.染色流体交汇的亮场图：（a）交叉点1处的层流现象；（b）交叉点2处的层流现象；（c）交叉点3处的层流现象。




图14.染色流体交汇的荧光图：（a）交叉点1处内层流体的荧光图；（b）交叉点1处外层流体的荧光图；（c）交叉点2处三种流体交汇的荧光图；（d）交叉点3处四种流体交汇的荧光图。




图15.中空纤维的制备：（a）纤维收集；（b）凝胶纤维的横截面荧光图；（c）当中间流体为PVA溶液（40×）时生成的纤维图；（d）当中间流体为CaCl2溶液（40×）时生成的纤维图；（e）当中间流体为PVA溶液（100×）时生成的纤维图；（f）当中间流体为CaCl2溶液（100×）时生成的纤维图。


论文链接：https://doi.org/10.3390/mi14071277
本文转自：北京永康乐业 https://www.biofabrication.cn

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