微结构图案化逆向波浪微通道中无鞘惯性粒子迁移与分离的数值研究及定量策略

针对多尺寸颗粒混合物在惯性微流控中难以单级分离的难题，研究人员通过设计侧向微结构图案化的逆向波浪微通道，增强Dean拖曳力（Dean drag force）和惯性升力（inertial lift force），揭示了流率、颗粒尺寸与微结构图案的耦合机制，提出基于显式比例因子（explicit scaling factor）的定量调控策略，为生物医学和环境监测领域的即时检测（POCT）提供了高效定制化解决方案。

　　

在生物医学检测和环境监测领域，如何高效分离尺寸跨度从亚微米到数十微米的颗粒（如血小板、细菌、肿瘤细胞、微塑料）一直是技术难点。传统惯性微流控技术虽能通过惯性升力（F_L）和Dean拖曳力实现颗粒聚焦，但单一截断直径设计常导致多尺寸颗粒共聚焦，仅能完成二元分离。现有级联通道或复合方法虽能扩展分离维度，却牺牲了通量和操作简便性。为此，中国的研究团队在《Powder Technology》发表研究，提出一种基于微结构图案化逆向波浪微通道的定量调控新策略。

研究采用COMSOL Multiphysics 5.5建立三维数值模型，通过求解Navier-Stokes（N-S）方程模拟层流场，结合颗粒追踪分析迁移轨迹。关键实验技术包括：1）逆向波浪微通道设计结合侧向凹微结构（n=0-6组）以增强二次流；2）雷诺数（Re_c=40）下评估流场与颗粒动力学；3）建立显式比例因子关联微结构数量（n）、颗粒阻塞比（a/H）与迁移位置。

研究结果

1. 增强二次流：侧向微结构显著提升平均流速（U），当n从0增至3时，Dean涡强度提升37.5%，但n>3后增速放缓（图4a-b）。
2. 单颗粒迁移机制：小颗粒（a/H<0.1）在n≥3时Dean力主导，迁移至内壁；大颗粒（a/H>0.15）惯性升力占优，保持双聚焦位点（图5）。
3. 多尺寸分离动力学：15μm与5μm颗粒在n=4的通道中分离效率达98%，显式比例因子成功预测四元分离的临界流率（Q=0.8-1.2 mL/min）。

结论与意义
该研究首次阐明非对称多曲率通道中微结构图案化对Dean涡和惯性升力的协同调控机制，提出“迁移圆环”模型解释颗粒位置转换规律。通过显式比例因子实现多尺寸分离的定量设计，避免了传统试错法的高成本。这一策略为肿瘤细胞分选、微塑料监测等POCT应用提供了单级高通量解决方案，推动惯性微流控向定制化、智能化发展。作者团队（Jinlan Chen、Dong Niu等）获国家自然科学基金（52105586）等支持，成果兼具理论创新与工程应用价值。