[发明专利]响应于多刺激的用于微流体的致动器元件

说明书

本发明涉及微流体系统、用于制造这样的微流体系统的方法以及用于 控制或操纵通过这样的微流体系统的微通道的流体流动的方法。可以将这 样的微流体系统应用到生物技术和医药应用中以及微电子应用中的微通道 冷却系统中。

微流体涉及包括物理、化学、工程和生物技术的多学科领域，其研究 体积比通常的液滴小数千倍的流体的行为。微流体部件形成了所谓的“芯 片实验室”设备或生物芯片网络的基础，所述设备或网络能够处理微升或 纳升体积的流体，并执行高灵敏度的分析测量。用来构建微流体设备的制 造技术价格相对低廉，并且既适于高度精确的多路复用设备，又适于大规 模生产。微流体技术能够通过与微电子学中类似的方式在同一衬底芯片上 制造执行若干不同功能的高度集成的设备。

对于当今迅猛发展的生物技术而言，例如，对于快速DNA分离和大小 筛分、细胞操纵、细胞分选和分子探测而言，微流体芯片已经逐渐发展成 为了关键的基础。基于微流体芯片的技术提供了很多相对于其传统宏观尺 寸的对等物的优点。除其它部件外，微流体部件是基因芯片和蛋白质芯片 开发工作中的关键部件。

在所有的微流体设备中都存在控制流体流动的基本需求，即，必须通 过由宽度通常大约为0.1mm或更小的通道构成的微通道系统来传输、混合、 分离和引导流体。微流体致动(actuation)所面临的挑战在于设计一种小型 可靠的微流体系统，从而在微通道中调节或操纵由诸如唾液和全血的可变 成分构成的复杂流体的流动。目前已经开发出了各种致动机制，并投入了 使用，例如，压力驱动方案、微制造机械阀门和泵、喷墨型泵、电动式控 制流(electrokinetically controlled flow)和表面声波。

在US 2003/0142901中，提供了一种用于微流体的致动方法。该方法 通过控制毛细管化学亲和力的变化而操作。该方法包括在所述毛细管内壁 上沉积一纳米层的材料并且对所述毛细管施加外部刺激。例如在US 2003/0142901中所述的外部刺激是电压、所施加电压的变化、磁场、磁场 的去除、电容变化、静电场的施加或去除等。所述方法的原理在于当施加 刺激时，将纳米层从第一构象状态改变成第二构象状态。例如该现有技术 文件中所述的构象状态通常为分子构象变化，例如从顺式到反式构型的双 键、使分子基团围绕轴旋转或使分子链弯曲和反向弯曲的改变。当覆有这 种纳米层的毛细管的化学亲和力变化时，允许控制流过所述毛细管的方向 或速度。例如，US 2003/0142901推荐沿着通道逐渐翻转该构象以便形成用 于流体液滴的传送。

然而，使用这种方法以通过微流体设备中的通道传送液体的缺点在于， 所使用的非常薄的纳米层可能迅速老化(例如，经过通道表面下的纳米层 的腐蚀或迁移)。另一缺点在于这种系统不能驱动流体连续流动通过通道， 并且局限于运输液滴。

本发明的一个目的是提供一种改进的替代微流体系统及其制造和操作 的方法。本发明的优点可以是小型、价格低廉和易于加工中至少之一。

上述目的是通过根据本发明的方法和设备来实现的。

在独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。可以将从 属权利要求的特征酌情与独立权利要求的特征或者其他从属权利要求的特 征相结合，而并非仅限于权利要求中的字面阐述。

就第一方面而言，本发明提供了一种微流体系统，其包括至少一个微 通道，所述微通道具有带内侧的壁，其中，所述微流体系统还包括：

—多个附着于所述壁的所述内侧的纤毛致动器元件，每一纤毛致动器 元件在未接触液体时具有原始形状，以及

—用于向所述多个纤毛致动器元件施加刺激，从而引起其形状和/或取 向从初始形状和/或取向改变至目标形状和/或取向的装置。

纤毛致动器元件适于通过将其形状从原始形状和/或取向改变至初始 形状和/或取向而响应于例如水的特殊液体的存在。对特殊液体的存在的响 应可以是对纤毛致动器元件的原始形状的变弯曲。

向多个纤毛致动器元件施加刺激提供了局部操纵复杂流体在微流体系 统中的流动的方式。可以对致动器元件进行单独或群体驱动或寻址，以实 现特定的流体流动方式。