基于气动电流体动力学混合法驱动微滴喷射技术的模拟与实验

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微滴喷射技术是一种在近年来得到广泛关注的新型技术,其主要用于形成微型液滴或者施加少量样品。其主要应用的领域有3D打印、微电子封装、基因工程和生物医药工程等。传统的微滴喷射技术有压电法、热泡法。近年来,气动法和电流体动力学(Electrohydrodynamic,EHD)法等非传统微滴喷射技术也广受关注。本文分析了气动法和EHD法的主要优缺点:气动法的优点为按需喷射较为稳定,缺点为微滴尺寸较大;EHD法的优点为微滴尺寸较小,缺点为无法实现按需喷射并且不稳定。因此本文提出并分析了一种新方法为气动-电流体动力学混合(Hybrid Pneumatic-Electrohydrodynamic,HPEHD)法,其结合了上述两种方法的优点并规避了缺点。其工作原理为在气动喷嘴和收集基板之间施加高压静电,脉冲气动过程挤出少量液体但不足以形成微滴,强电场拉伸挤出液体断裂形成微滴。HPEHD法与气动法相比微滴直径可以减少50%以上,并且按需喷射的稳定性和气动相比较为接近。本文使用有限元分析法,使用COMSOL Multiphysics软件搭建了适用于气动法、EHD法和HPEHD法的模型,并使用此模型仿真研究了三种方法的基本性质,探究HPEHD法的可行性。我们搭建了一套适用于HPEHD法的喷射装置,其基本结构由在气动法装置上安装电极改进而成。装置使用机器视觉法进行监测,其可以用于观察喷射过程的稳定性并测量微滴尺寸。实验验证了HPEHD法的可行性与优势,观察了微滴喷射过程并验证了其喷射原理。影响HPEHD法的三个主要条件为气源压强P0、电磁阀开启时间Δt和静电电压V0,其中气源压强P0和电磁阀开启时间Δt增大会在相当范围内增大微滴尺寸,而静电电压V0对微滴尺寸的影响较小。最后本文使用HPEHD法进行生物墨水喷射,经检测HPEHD法对于细胞活性影响极小,细胞成活率高达98.7%,证明其在生物医学领域具有一定应用前景。
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