微流控低流量流体分流装置(μ-Split)的设计优化与性能验证

针对微流控实验中多入口精确分流的需求，本研究通过几何优化与多物理场模拟，开发出可集成于现有系统的μ-Split装置。该装置在10 μL/min至2.5 mL/min流量范围内实现稳定分流，解决了商业分流器低流量失效问题，为器官芯片等生物医学研究提供经济高效的解决方案。

　　

在微流控技术广泛应用于器官芯片和细胞分析的时代，精确控制流体分配是实验成功的关键。然而，现有商业分流系统不仅价格昂贵，且在低流量条件下（<1 mL/min）表现糟糕，迫使研究人员不得不为每个入口配置独立泵组，极大增加了实验复杂度和成本。更令人困扰的是，简易分流结构如T型接头在微流控常用流量下完全失效，这严重制约了高通量实验的开展。

为破解这一难题，Vanderbilt University的研究团队通过创新性设计，开发出名为μ-Split的微型分流装置。该研究通过系统测试4种商业分流器性能，结合COMSOL Multiphysics多物理场模拟，发现通道收缩引发的文丘里效应(Venturi effect)是改善分流精度的关键机制。研究成果发表于《SLAS Technology》，为微流控领域提供了兼具经济性和实用性的解决方案。

研究采用三大核心技术方法：1）高精度SLA 3D打印（50 μm特征尺寸）制作PDMS模具；2）通过COMSOL 6.2软件建立二维流体动力学模型，分析速度/压力分布；3）使用Sensirion SLF3f-0600流量传感器和重力法双重验证分流精度。实验系统采用0.8 mm内径硅胶管，在0.01-2.67 mL/min流量范围内测试不同几何构型的分流性能。

3.1 μ-Split性能显著优于商业分流器
通过对比测试发现，所有商业分流器在<2 mL/min时均出现分流失败（仅单出口出水），而μ-Split在0.3 mm入口高度设计下，借助通道收缩使流速提升3.6倍，实现低至10 μL/min的稳定分流。COMSOL模拟显示，μ-Split出口边界平均流速达0.0884 m/s，较T型分流器提升82%。

3.2 出口通道对称性决定分流精度
表面轮廓仪测量揭示，3D打印模具的出口宽度差异导致液压阻力(R_H)变化：V1A模具两出口R_H相差24.9%（对应流速差20%），而对称性更好的V1C模具仅差8.3%。该发现强调了高精度加工对微流控器件性能的重要性。

3.3 几何特征对分流的影响机制
通过设计V2-V4版本对照实验证实：1）入口收缩（高度<管径）是必要特征，取消收缩的v4版本在<1 ml min时完全失效；2）出口长度缩减50%仅影响10 μl>

泵系统兼容性验证
在相同流量条件下，蠕动泵与注射泵的分流精度无统计学差异，但注射泵在>1 mL/min时出现流量衰减现象，这为不同实验场景的泵选型提供了参考依据。

该研究最终确立μ-Split的三大创新价值：首先，其模块化设计可直接整合到现有灌注系统，避免商业系统强制配套的弊端；其次，通过文丘里效应优化，解决了低流量分流这一长期存在的技术瓶颈；最重要的是，9:1 PDMS材质和3D打印工艺使其成本仅为商业系统的1/20。正如作者Alexis K. Yates指出，该装置特别适用于需要多通道灌注但允许±10%流量波动的实验场景，如类器官培养、药物筛选等应用。未来通过光刻等更高精度的加工技术，可进一步优化其低流量性能，推动微流控技术在转化医学中的广泛应用。