[发明专利]一种3D打印开设有蜿蜒的微流通道的微流控芯片及其中微流通道的设计方法

说明书

本发明公开了一种3D打印开设有蜿蜒的微流通道的微流控芯片及其中微流通道的设计方法；该芯片在基板上设置有微流通道，微流通道由多个圆弧串联而成，使得该通道在480–720μL/min的流速范围内都能实现聚焦，流速较大，通量高，进而实现大尺度通道内粒子的聚焦；该通道结构简单，3D打印易于实现，只需一步即可完成微流控芯片和三维立体微流通道的打印，简化了微流控芯片的制作流程；与现有的微流控芯片制造技术相比成本更低；该微流通道的设计方法经过理论计算、仿真模拟和实验验证三步，优化出的微流通道曲率半径为5.9mm，粒子在流速为480μL/min时，通道内粒子或肿瘤细胞聚焦最紧密。

【技术领域】

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种3D打印开设有蜿蜒的微流通道的微流控芯片及其中微流通道的设计方法。

【背景技术】

微流控技术可以在微米尺度甚至单细胞水平上进行生物样本处理，是对传统生物实验的一次重大改革。微流控芯片的微通道惯性粒子聚焦是生物医学应用领域的一项重要技术，在粒子或细胞聚焦、循环肿瘤细胞分离以及流式细胞术等领域具有巨大潜力。传统的微流体通道是通过基于PDMS微成型的软光刻技术制造的。PDMS价格低廉，生物相容且透明，采用硅片模板制作微通道，精度极高。但是这种技术制作微流控芯片需要大量的人为操作，并且只能制作平面的通道。这些阻碍了软光刻技术在制作复杂的三维通道和商业中的应用。

过去的十年中，随着3D打印技术的发展，3D打印制造微流控芯技术引起了人们广泛的关注。采用3D打印技术制造微流控芯片可以显著简化微流控芯片的加工过程，降低微流控芯片的制作成本，同时3D打印可以制作出三维立体的通道结构。虽然3D打印有很多优点，但3D打印也存在一个重要的缺点—打印出的微通道分辨率较低。

而商业3D打印机打印出的微通道的横截面都在100μm及以上，限制了微通道的分辨率。因此，3D打印惯性微通道的最大限制是通道分辨率；而通道分辨率决定着3D打印能打印通道的最小通道尺寸，进而影响粒子或细胞的聚焦，当3D打印的微通道具有大的横截面，不利于粒子或者细胞的聚焦。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种3D打印开设有蜿蜒的微流通道的微流控芯片及其中微流通道的设计方法。该通道优化了3D打印的微流控芯片内蜿蜒通道的结构，使得在较大截面下粒子或肿瘤细胞聚焦效果好。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种3D打印开设有蜿蜒的微流通道的微流控芯片，包括基板，基板内部开设有微流通道，基板的上、下表面为平板；基板的一个长侧边为第一侧边，与第一侧边相对的长侧边为第二侧边；第一侧边开设有微流通道的入口，第二侧边开设有微流通道的出口；微流通道在基板的内部呈波浪状，由N个圆弧形弯道串联构成，且两个相邻的圆弧形弯道呈字母“S”状；N为大于等于2的自然数；所述基板通过3D打印制得。

本发明的进一步改进在于：

优选的，微流通道的入口和微流通道的出口分别开设在基板的一个对角线的两端。

优选的，圆弧形弯道的曲率半径为2mm-10mm。

优选的，圆弧形弯道的曲率半径为5.9mm。

优选的，微流通道内粒子流速为480μL/min时，粒子的惯性聚焦状态最佳；微流通道聚焦的粒子直径大于等于20μm。

一种3D打印开设有蜿蜒的微流通道的微流控芯片中微流通道的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，理论确定微流通道内惯性聚焦的最优条件；

微流通道内粒子受到惯性升力F_L和迪恩力F_D，当二者平衡时，微流通道内的粒子为惯性聚焦；定义为R_f，其公式为：