用于多材料流动像素化控制的微流控毛细管阵列

《Small》：Microfluidic Capillary Arrays for Pixelated Control of Multimaterial Flows

　　

研究人员提出了一种用于生产可定制的微尺度多材料流动横截面的新方法。在此，通过一个3D打印的微流控毛细管阵列选择性映射多种粘度匹配的流体，以控制异质Poiseuille流动的横截面几何形状。以往的研究已展示了相对简单的轴对称流动，而本方法高度可扩展至复杂的横截面几何形状和大量流体输入，并能够在不限于径向对称的情况下设计定制的横截面，从而实现任意流体“图像”的生产。研究人员进一步设计并实现了一个自动化算法，该算法可生成与所需横截面几何形状相匹配的集成流动挤出歧管3D模型，随后进行3D打印。该设计利用层流条件缩小横截面特征，使得有效分辨率相较于3D打印设备的最小特征尺寸提升了两个数量级。研究人员通过多种周期性和非对称多材料流动几何形状以及水凝胶微纤维生产，展示了该方法的空间可调性，在此过程中使用了多达2347个独立定义的流体像素。凭借以微米级精度任意定义流动横截面的能力，该方法有望在光流控、生物制造和芯片实验室设备等需要高度定制化流动的新兴应用中发挥作用。

**论文解读**

**研究背景与问题**
微尺度流体流动的精确控制对生物传感、药物发现、高通量细胞筛选、器官芯片建模及材料合成等应用至关重要。现有微流控器件主要采用平面结构（如矩形截面通道），虽能实现水平面内流体组分与流速的精确调控，但在垂直方向的控制能力有限。流动光刻技术虽可通过多层聚二甲基硅氧烷（PDMS）网络形成垂直方向的多层流，但层间对准精度限制了复杂流体子结构的实现。惯性或非惯性流动雕刻技术利用通道几何特征扰动流动，但通道与流动几何之间的间接关系限制了灵活性。玻璃毛细管微流控通过同轴组装不同尺寸毛细管形成同心层流，但无法生成非轴对称浓度场。近期研究通过手动组装毛细管束或3D打印喷嘴实现了部分子结构控制，但仍受限于径向对称性或简单几何形状。因此，直接且任意控制完整的二维流动横截面仍具挑战性，亟需一种可扩展的通用方法。

**研究内容与结论**
本研究提出一种高度可扩展的工作流程，用于生成具有任意横截面组分的多材料微流控流动。该方法结合了正交于流动方向排列的二维微流控毛细管阵列和一系列分层平面流体歧管，每个歧管可任意连接至任意数量的互连毛细管通孔，形成通用于注入多种流体的“像素”架构。通过低成本的3D打印技术优化制造，展示了91至2347个流体像素的几何复杂度，并利用层流聚焦实现了特征尺寸的数量级缩减（从3D打印阵列几何到最终流体像素）。此外，开发了基于Python的自动化工作流，直接与CAD软件接口，自动生成包含畸变补偿的毛细管阵列设备模型。实验验证了周期性及非对称多材料流动几何形状，并成功应用于水凝胶微纤维生产，实现了多材料及中空子结构。该方法的可扩展性使得任意设计流动横截面成为可能，远超以往技术。论文发表在《Small》。

**主要关键技术与方法**
1. **3D打印设备制造**：使用消费级DLP SLA 3D打印机（AnyCubic Photon Ultra）和标准树脂，垂直打印以保护毛细管结构，层高100 μm，曝光时间3.0 s。
2. **畸变建模与补偿**：基于COMSOL Multiphysics层流模块数值模拟，获取从阵列空间（未充分发展流）到出口空间（充分发展Poiseuille流）的归一化变换函数，通过反向映射实现畸变补偿，适用于六边形和圆形截断阵列配置。
3. **自动化CAD设计**：开发Python脚本与Fusion 360 API接口，将输入位图图像转换为毛细管坐标，参数化调整阵列尺寸、毛细管间距、直径、壁厚及流体输入数，自动生成STL文件。
4. **流动成像**：使用倒置显微镜（Olympus IX73）配合顶部照明，通过14G针头观察甘油与染料混合物的横截面流动，总流速1–5 mL/min。
5. **水凝胶微纤维凝胶化**：采用5% w/w海藻酸钠溶液，通过18G或14G出口针头挤出至10% w/v氯化钙水浴中交联，形成固体或中空微纤维。
6. **粘度匹配**：通过流变测试（Anton Paar MCR 702）确定5%海藻酸钠溶液在剪切速率100–500 s^-1下的平均粘度194 mPa·s，配制14.7% w/w聚乙烯醇（PVA）溶液作为牺牲模板，实现粘度匹配。

**研究结果**

**3.1 压力分布分析**
通过引入Brinkman方程和Tamayol-Bahrami多孔介质渗透率模型，评估歧管区域内毛细管阵列引起的压力场。关键约束为毛细管压降ΔP_c远大于相邻毛细管间的压力差ΔP_UC，并考虑径向扩散器改善轴向对称性。通过分析最坏情况（最下层歧管中心k个像素簇），推导出压力均匀性条件，确保各毛细管流量相等。

**3.2 横截面图像分析**
使用甘油和蓝色染料进行流动成像，测试放射性、环、星形及CBML标志等几何形状（像素数91、271、469）。通过交并比（IoU）分析量化再现精度，发现像素数增加可降低离散化误差并改善畸变补偿效果，提高圆形度、直线度及边缘平滑度。特别展示了非对称形状（如汉字“影”）的生成，特征尺寸约30 μm。图像缺陷（暗点或条纹）源于3D打印过程中气泡导致的毛细管壁破裂，在较大阵列（n>400）中更常见。

**3.3 多隔室微纤维**
结合湿法纺丝，利用海藻酸钠溶液在氯化钙中交联，生成固体及中空微纤维。固体微纤维展示了859像素的复杂横截面及四色多材料输入结构。中空微纤维通过共流PVA模板牺牲溶液，交联后经水扩散去除PVA，形成双腔或三腔结构，可灌注流通。此方法实现了平面软光刻无法获得的复杂横截面空心通道。

**3.4 讨论与未来展望**
该方法的关键创新在于参数化设计结合3D架构，支持自动化框架内的大像素数或流体输入。但实际限制包括：消费级3D打印分辨率导致毛细管间距约1 mm，大阵列（>1000像素）需约5 cm尺寸，可能影响流动稳定性（低Re下粘度失配增强湍流趋势）。未来可采用高分辨率3D打印技术（如投影微立体光刻PμSL或双光子光刻2PP）进一步降低Re，提升图像复杂度。潜在应用包括光流控波导、环境传感器、微混合、纤维超材料、光子晶体光纤及组织工程水凝胶支架，并可集成至悬浮浴3D生物打印技术中。

**讨论与结论总结**
讨论部分指出，该毛细管阵列设计实现了对二维流动横截面的显著增强控制，且其操作窗口受流体粘度、流速及制造几何约束的影响。通过流动聚焦可生成远小于3D打印最小特征尺寸的流体特征。设备可重复使用，但需正确灌注和清洗。研究结论为：本工作提出了一种基于像素毛细管阵列的方法，用于生成多材料流体流动，具有独特的设计横截面能力。该方法通过高度参数化设计和自动化工作流支持，可扩展至数千个独立分配的毛细管流体像素，且不限于两流体输入（最多四流体）。通过交联挤出流，进一步建立了生成多材料固体和中空微纤维的能力，并具备设计的嵌入腔体数量和排列。因此，该阵列系统在微流控、光流控、生物制造和材料科学应用中具有显著优势。尽管当前使用消费级3D打印实现了设计流动，更高分辨率打印系统有望进一步提升像素数，增强横截面分辨率。