基于磁驱动人工纤毛的微流控频率切换技术实现按需粒子操控

这篇研究开发了一种磁驱动人工纤毛（MAAC）微流控平台，通过调节驱动频率（30-40 Hz）实现微流场切换与粒子操控。该系统利用PDMS嵌合磁性颗粒的纤毛结构，在振荡磁场下产生非对称拍打运动，形成局部剪切梯度与涡旋结构，实现83.3%的粒子捕获效率与79.8%的混合效率，为微流控诊断、靶向给药和软体微型机器人提供了动态可调的流体控制方案。

　　

频率依赖的人工纤毛尖端运动学与流场行为
磁驱动人工纤毛（MAAC）阵列通过交替磁化方向（N-S/S-N）和旋转磁场（8.47 mT）实现双向非对称拍打。在30 Hz驱动下，纤毛尖端位移达（0.49±0.06, 1.903±0.02）mm，40 Hz时降至（0.45±0.05, 1.917±0.02）mm，频率升高导致弯曲时间缩短。四相位运动循环（磁动力冲程-弹性恢复）打破时间反演对称性，产生定向微流，其流场特性通过μPIV量化验证。

频率依赖的流场切换与粒子操控
40 Hz驱动下，纤毛间距从5.4 mm（20 Hz）缩减至4.5 mm，形成峰值涡度3.2 s^-1的对称涡旋，实现83.3%粒子捕获率；30 Hz时涡度降至1.07 s^-1，粒子释放效率达60%。剪切率分布显示40 Hz时高梯度区（>200 s^-1）集中于纤毛附近，而20 Hz时呈弥散态。粒子轨迹追踪证实涡旋中心与捕获区空间对齐是稳定约束的关键。

混合性能评估
40 Hz驱动产生星形辐射状涡旋链，混合效率达79.8%，较30 Hz（61%）提升1.2倍。时变分析显示40 Hz下20秒即达稳态混合（效率74%），而30 Hz存在波动（30秒时降至49%）。这种差异源于高频驱动的持续剪切场克服了黏性耗散，与常规微混合器性能相当。

实验方法与材料
纤毛采用NdFeB/PDMS（4:1重量比）复合材料，磁性段长1.2 mm（总长2 mm）。八边形电磁线圈阵列（0.6 A峰值电流）通过DAQs系统调控，μPIV使用3.2 μm荧光颗粒（16×16像素自适应窗口）。统计采用SPSS 17.0进行Shapiro-Wilk正态检验，显著性阈值p≤0.05。

该系统通过频率调制实现流场可逆重构，为微尺度药物递送和芯片实验室（Lab-on-a-Chip）提供了无需嵌入式电极的动态操控方案，其生物启发设计尤其适用于低雷诺数（Re<1）环境下的生物医学应用。