基于双光子聚合技术的微流控芯片构建及其在液滴制备中的应用

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微液滴能够为生物化学反应提供精准可控的反应环境,广泛应用于现代药物研发与细胞培养等领域。相较于微孔膜乳化、电喷射等液滴制造方法,微流控技术生成的液滴具有均一性良好,产率高等优点。现有研究中制备微流控芯片通常使用的紫外光刻、等离子刻蚀等技术存在加工精度低、尺寸和结构可控性差等缺点,限制了液滴制备及操控的多样性和微米尺度的精确性。故而本文提出了基于双光子聚合激光直写加工技术构建微流控芯片的方案,制备的微流控芯片具有精度高、通道平整、可控三维通道结构等特性,能够精准实现液滴的生成与分裂。具体研究内容包括:(一)发展了基于双光子聚合激光直写技术的微流控芯片制备工艺。针对不同尺度参数、几何形状的三维微通道设计了对应的母版结构,确定了加工过程中扫描速度、激光能量、层间距等参数的最佳配置,并结合PDMS反模版、键合密封、通道改性等技术制备了通道平整、具有微米尺度精度和三维微结构的微流控芯片。(二)设计并制备了基于T型通道的液滴生成芯片。一方面,设计了五种不同连接角度的T型交叉结构,并通过计算机力学模拟探究了不同连接角度对于液滴生成的影响,分析不同模型液滴生成频率及稳定性后选定了垂直T型结构作为液滴生成模型,制备了液滴生成芯片。另一方面,利用实际加工芯片与计算机力学模拟相结合分析验证了T型通道内的液滴生成机制及流体速度、粘度、表面张力等参数对于生成液滴的尺寸和形态的影响,利用双光子聚合加工的液滴生成芯片制备了形貌良好、均一性高的凝胶微球。(三)设计并制备了被动式液滴分裂芯片。设计了四种被动分裂模型并利用计算机流体力学分析其液滴分裂过程,针对液滴被动分裂的需要,结合计算机模拟与实际加工芯片研究了基于对称Y型分叉结构的微流控芯片,探究了三种液滴分裂机制及分裂过程的压力变化,通过样品表征验证了分裂液滴的均一性。通过上述工作,本研究证明了基于双光子激光直写技术构建的微流控芯片制备液滴效果良好,且多样化的通道结构可以精准调控液滴的行为实现液滴的分裂。这些实验结果有望促进激光直写技术在微流控芯片构建方面的应用,推动微流体芯片在生物医学工程领域的研究和发展。
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