基于大豆油水乳液的毫流体装置中超声与光学流速测量技术的评估及其在血液模拟流体中的应用

本研究针对传统血液模拟流体(BMF)在超声成像和血流动力学研究中存在的局限性，开发了一种新型大豆油水乳液作为BMF，其粒径与红细胞相似。通过3D打印毫流体芯片，研究人员交叉验证了多普勒超声测速与光学粒子追踪技术的兼容性，证实了该乳液在流速测量中的适用性。该研究为血流动力学研究提供了更接近真实血液特性的模拟流体，对医学影像和微循环研究具有重要意义。

　　

在医学影像和血流动力学研究中，准确模拟真实血液特性的流体至关重要。传统血液模拟流体(BMF)通常采用水-甘油基悬浮固体颗粒的方案，但存在浓度限制、颗粒不可变形等问题，难以真实再现血液在微循环中的复杂行为。特别是对于超声多普勒测速等应用，现有BMF在声学特性和流变学特性方面与真实血液存在显著差异。

针对这一挑战，来自法国研究机构的研究团队创新性地开发了一种基于大豆油水乳液的BMF。这种新型模拟流体不仅粒径分布(8.8±0.6 μm)与红细胞(6-8 μm)相似，还具有良好的稳定性和适当的声学特性。相关研究成果发表在《Micro and Nano Engineering》上，为血流动力学研究提供了更优的解决方案。

研究采用了多项关键技术：通过膜乳化技术制备单分散大豆油乳液；使用立体光刻(SLA)3D打印技术制造透明树脂毫流体芯片；结合光学显微镜(10×-40×物镜)和相控阵超声探头(2.5 MHz中心频率)进行双模流速测量；应用多角度平面波成像方法进行超声流速矢量映射。

在"3.1 血液模拟流体的制备"部分，研究详细描述了通过Shirasu多孔玻璃膜乳化装置制备大豆油乳液的过程。结果显示，使用2.1 μm孔径膜可获得与红细胞尺寸匹配的乳液(变异系数约7%)。声学测试表明，大豆油与水的声阻抗差(约0.1 MRayl)与真实血液细胞与组织的差异相当，优于传统聚合物颗粒BMF。

"3.2 毫流体装置设计与制造"展示了3D打印芯片的优化过程。通过在玻璃载玻片上打印，显著降低了通道底面粗糙度(经轮廓仪验证)。虽然设计通道截面为2×2 mm²
，实际打印尺寸为2×1.45 mm²
，这种差异在后续流速分析中被充分考虑。

"3.3 光学与超声双模速度测量"部分呈现了关键实验结果。光学追踪(1%油体积分数)显示典型的泊肃叶流动剖面，最大流速达1.4 mm/s(流量120 μL/min)。超声测量(10%油体积分数)通过15个倾斜平面波(角度±18°)实现了440 Hz高时间分辨率的流速映射，两种方法测得的速度分布高度一致。

"3.4 两种测量技术的比较"通过拟合平均流速与流量的关系，反推了通道高度(光学法1.22±0.018 mm，超声法1.28±0.076 mm)，与直接测量值(1.44-1.56 mm)的差异反映了3D打印通道的高度不均匀性。值得注意的是，1%与10%油浓度下的粘度差异(<30%)对流速影响可忽略，验证了双模测量结果的可比性。

研究结论指出，大豆油水乳液作为BMF具有多重优势：粒径可控、稳定性好、声学特性适宜，特别是其剪切稀化行为更接近真实血液流变特性。相比传统刚性颗粒BMF，这种可变形乳液更适合微循环研究。虽然当前研究未优化所有物理参数，但已证实其在流速测量中的实用性。

这项工作的意义在于：1)开发了更接近真实血液的新型BMF；2)建立了光学与超声测速技术的交叉验证方法；3)展示了3D打印毫流体装置在血流动力学研究中的应用潜力。未来可通过调整乳液配方进一步优化流变学和声学特性，为微血管流动研究提供更精准的工具。研究团队特别强调，大豆油乳液的生物相容性和低成本使其在临床前研究中具有广阔应用前景。