自混合干涉技术实现视网膜微动脉网络体外流速高精度测绘

本研究利用自混合干涉(SMI)技术，成功实现了对仿生视网膜微动脉网络的高分辨率流速测绘。针对传统矩形微通道无法模拟真实血管几何结构的难题，研究人员通过背光光刻技术制备半圆形截面微通道，结合SMI传感器与连续扫描算法，首次在复杂生理结构中获得1μm空间分辨率的流速分布图。该技术为微循环研究提供了全新工具，对阿尔茨海默症等血管病变机制研究具有重要意义。

　　

在微流控技术蓬勃发展的时代，科学家们一直面临着一个核心挑战：如何让实验室中的微通道更真实地模拟人体内复杂的血管网络？传统微流控芯片通常采用标准光刻技术制作，得到的往往是横截面为矩形或圆形的简单通道，这与人体血管多变的半圆形结构相去甚远。特别是在视网膜微血管研究领域，这种差异可能导致实验数据与真实生理状况存在显著偏差。

视网膜作为人体唯一可直接观察微循环的部位，其血管网络的变化与阿尔茨海默症等神经系统疾病密切相关。研究表明，阿尔茨海默症患者的神经元退化往往伴随着周围毛细血管密度的降低。因此，开发能够精确模拟视网膜微血管网络的实验平台，并实现高精度流速测绘的技术，对于理解微循环障碍与疾病发展的关联具有重大意义。

正是在这样的背景下，Sebastián Sierra-Alarcón等研究人员在《Micro and Nanostructures》上发表了他们的创新性工作。他们巧妙地将自混合干涉技术(Self-Mixing Interferometry, SMI)与创新的微加工技术相结合，成功构建了能够高度模拟视网膜微动脉网络的实验系统，并实现了前所未有的测量精度。

研究团队采用了几项关键技术：首先利用背光光刻技术(backside lithography)制备具有半圆形截面的微通道，该方法通过铬掩模图案化和SU8光刻胶曝光工艺，创造了更接近生理状态的血管模型；其次开发了基于1550nm激光二极管的自混合干涉传感系统，该系统集成了激光源、干涉介质和探测器于一体；最后设计了连续扫描算法，通过控制平移台以恒定速度移动，配合500kHz采样率的数据采集系统，实现了高速、高精度的流速测绘。

在微通道制造方面，研究人员通过优化背光光刻工艺参数，使用opal扩散片散射UV光，实现了通道高度与宽度成比例的连续变化，成功制备出高度在150μm范围内的半圆形微通道。扫描电子显微镜图像证实了所制微通道具有良好的半圆形几何特征。

在传感系统构建上，团队采用Thorlabs-L1550P5DFB激光二极管搭配C660TME-C非球面透镜，实现了约80μm的光斑直径。系统以82°角度入射，通过跨阻抗电路放大光电二极管信号，并以500kHz采样率采集数据。扫描算法采用8192样本点/区间（对应16.384ms时间窗口），在1-100kHz频率范围内计算加权平均频率矩来估计流速。

实验验证部分通过三个系列实验证实了系统的可靠性：通道尺寸变化实验显示，在100μm、80μm和50μm不同宽度通道中，流速测量的相对误差小于3%；散射浓度变化实验表明，5%-15%的牛奶浓度变化对测量影响很小，相对误差保持在4%以下；角度影响实验验证了通过正交投影测量可准确计算实际流速，误差约2%。

视网膜毛细血管网络表征部分通过COMSOL仿真揭示了半圆形通道内的流速分布特征，模拟结果显示当80μm光斑扫描60μm宽通道时会出现"顶帽"状流速分布。实验测量成功获得了2μm像素分辨率的高清流速分布图，标准偏差小于3.5mm/s。在10μm像素分辨率、120μm/s扫描速度的参数下，成功绘制了网络多个分支的流速分布，清晰显示了由于几何限制导致的流速变化。

研究结论表明，自混合干涉技术能够有效应用于复杂微血管网络的流速测绘，背光光刻技术制备的半圆形微通道更好地模拟了生理条件。该系统可实现1μm空间分辨率的高精度测量，也能通过参数调整进行快速扫描获取整体流型。尽管单点测量特性限制了全网络瞬时flow变化的捕获能力，但该技术为微循环研究提供了强大工具，特别是在视网膜微血管网络研究领域具有重要应用价值。未来通过整合血液样本和优化扫描策略，将进一步增强该系统在生物医学研究中的实用性。