[发明专利]一种流体剪切力生成装置与流体剪切力生成方法

说明书

本发明涉及微流控芯片领域，本发明公开了一种流体剪切力生成装置与流体剪切力生成方法，其中装置包括装置主体，装置主体上设置有主流道与至少两条分支流道，主流道的两端设置有流体入口与主流道流体出口，分支流道的一端与主流道连通，另一端设有分支流道流体出口，分支流道内设有阀门，通过控制阀门的闭合程度调节该分支流道内可供流体通过的截面积。本发明利用主流道、分支流道和阀门的配合，可以在不改变输入流体流速与装置结构的情况下实现流体剪切力大小与比值的动态变化。同时，本发明可以极大的扩展首级与末级分支流道中流体剪切力的比值范围，并且可以覆盖范围内任意一点的比值，本发明结构简单，易于推广实现。

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，尤其是涉及一种可以实现流道内流体剪切力大范围、动态调节的流体剪切力生成装置，以及流体剪切力生成方法。

背景技术

人体内分布着复杂的血管系统，直径从几微米到几厘米不等。血液流动在静脉和动脉血管内形成的流体剪切力分别约为0.7-9dyn/cm²和20-70dyn/cm²。在狭窄的动脉血管中剪切力有时会超过450dyn/cm²。血液流动剪切力与人体内一系列复杂的生物过程密切相关。在体外模型中模拟这一复杂的剪切力环境对内皮细胞功能、心血管疾病和血栓等的研究具有重要意义。

早在上世纪80年代，平行板流动腔和锥板粘度计剪切力装置，就用于研究剪切力对内皮细胞的影响以及血栓形成。随着微流体技术的发展，微流控芯片可以利用内部集成的微阀门或者外部的注射器泵产生连续或者脉动的流体剪切力，用于更加精确的模拟血液流动形成的剪切力，以深入研究内皮细胞的形态变化、渗透性、蛋白表达以及跨内皮电阻等。也有人利用微流控芯片模拟狭窄血管和血栓通的形成。此外，微流体剪切力装置还可以被用于评估抗压药物的效果。这些研究极大地推动了内皮细胞基础研究、血栓形成和治疗研究，对心血管研究和治疗具有重要作用。

现有基于微流控芯片的剪切力生成装置主要采用主动和被动两种方式生成变化的流体剪切力。主动方式主要是靠改变入口液体流速，以改变整个芯片上所有流道内的剪切力。被动方式是在芯片上预先设计好不同长度或宽度的管道，当液体流入不同管道时，在其内部生成相应的剪切力。以上方法，简单宜行，但是具有很大的局限性，例如

(1)在不改变输入流体速度的情况下，现有的剪切力生成装置中各个流道内的流体剪切力的大小是固定的，无法进行动态调节。

(2)不同流道内流体剪切力的比值是固定不变的(呈线性分布)，在不改变芯片设计的前提下，无法动态调节各流道内流体剪切力的比值。

(3)无法产生涵盖人体血管系统内所有的流体剪切力。

因此，现有微流控装置很难精确模拟人体血管系统内复杂的、大范围的流体剪切力环境。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种流体剪切力生成装置与流体剪切力生成方法，用于解决现有的剪切力生成装置1)无法模拟人体所有血管内部流体剪切力的大小和2)在不改变输入流体速度的情况下，无法动态调节各个流道内流体剪切力的大小与比值的问题。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：

一种流体剪切力生成装置，包括装置主体，装置主体上设置有主流道与至少两条分支流道，主流道的两端设置有流体入口与主流道流体出口，分支流道的一端与主流道连通，另一端设有分支流道流体出口，分支流道内设有阀门，通过控制阀门的闭合程度调节该分支流道内可供流体通过的截面积。

作为上述方案的进一步改进方式，阀门包括构成分支流道的流道壁的弹性膜片，以及向弹性膜片施加压力以使其向流道内部凹陷的加压装置。

作为上述方案的进一步改进方式，加压装置沿单侧方向向弹性膜片施压。

作为上述方案的进一步改进方式，加压装置沿分支流道的周向向弹性膜片施压。