微流控技术中的按压泵与芯片创新设计
2025-01-19 16:17
No.1330573193320341504
技术概要
PDF全文
本项创新技术涉及微流控领域,介绍了一种新型按压泵和微流控芯片。该按压泵由按压气囊、制动腔室及两个单向阀组成,其中制动腔室和单向阀内,流体层与气体层通过弹性膜和其上的贴附层实现分隔。
背景技术
微流控技术的进步使得对微流体的驱动和控制更加灵活、准确和方便,促进了即时诊断、生化分析、细胞培养和其他相关领域的发展。传统流体驱动方式依赖昂贵装置的支撑,需要蠕动泵、注射泵等传统的流体泵,虽然具有流量、流速可精确调节的优势,但不利于微流控装置的小型化以及在即时诊断领域的应用。微泵作为微流控系统的核心和典型部件,因其小型化、集成化等优点而受到广泛关注。开发体积更小、成本更低、加工更简易的高性能微型泵具有重要意义。 微泵分为需要外部电源与不需要外部电源两类。需要外部电源的微泵是通过小型外部电源或执行器平台对微泵进行驱动,如小型蠕动泵,电润湿,电渗透泵,离心泵和磁力泵。需要外部电源的微泵比传统流体泵体积更小,可集成化程度更高,但对外部电源和执行器平台的依赖大大限制了其在条件有限环境中的使用。不需要外部电源的微泵可以借助一些物理学原理如毛细作用,虹吸作用,渗透压,重力等,可以自发驱动,或者人力与特定机械结构组合,如手动驱动的注射泵,手动离心泵,以及手指按压泵,可以实现对液体的驱动。因为摆脱了对外部电源和执行器平台的依赖,使得不需要外部电源的微泵在即时诊断领域有着广泛的应用。 手指按压泵是一种典型的不需要外部电源的微泵,其尺寸小,可编辑性强,并且可以与微流控系统一体化设计,无需使用繁琐的连接,减少了污染风险的同时使微流控系统的应用前景更加多样。 手指按压泵包含一个按钮,一个可变形的腔室和各种微型阀,通过对按钮的按压与释放,可以使得可变形腔室发生规律形变,通过与微型阀的组合,可以实现对流体的驱动。最经典的手指按压泵基于PDMS材料制作而成,因为PDMS作为弹性材料,适于制作可变形的腔室与微型阀,并且加工精度高、结构稳定性强。来自清华大学和深圳市绿诗源生物技术有限公司公布的一种按压式微流控芯片、微流控装置及细菌检测方法(申请公布号:CN114480096A),和中国农业大学公布的一种微流控芯片及微生物检测方法(申请公布号:CN114225978A),都是使用经典的软光刻方法进行手指按压泵与按压芯片的加工制作。如图1所示,基于PDMS材料制作的手指按压泵中,各层材料均由PDMS材料制作而成,为了避免微型阀与下层的弹性膜相互粘连,软光刻PDMS在加工时需要使用等离子体处理来组装多层结构,容易误连破坏微型阀的结构,在脱模过程中也容易损坏阀体(Lab Chip,2024,24,843-853)。因此,软光刻加工PDMS很难实现按压泵的快速批量制作。此外,由于PDMS的刚性较差,可变形的腔室在形变时,其顶层膜和底层膜也可能受弹性膜的影响而发生形变,影响结构稳定性以及液体泵送的精度。 热塑性材料PMMA可以通过注射、压缩成型、铸造、热压成型、微铣削、激光烧蚀,等可复制和直接制造技术以低成本大批量制造,在部分微流控装置中可以代替PDMS。有研究使用PMMA和部分阻断的压敏胶来制作手指按压泵(Lab Chip,2023,23,4579-4591),其结构如图2所示。相比于基于PDMS制作的手指按压泵,PMMA制作的顶层膜和底层膜的刚性较好,并且不需要进行等离子体处理,制作时间、制作成本、制作复杂度等都有所降低。但是,仍需要对一些细小单元进行额外处理,使用阻断剂进行修饰,不够简便,也不适用于快速批量制作。 总体而言,现有的手指按压泵因其结构的限制,导致其制作时间较长、其制作成本和制作复杂度较高。
实现思路
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该技术已申请专利,如用于商业用途,请联系技术所有人!
技术研发人员:
刘笔锋  陈鹏  伊龙雨  李一伟  李顺基  周梦凡
技术所属: 华中科技大学
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