惯性微流控制备方法综述

微流控芯片

近几十年来，由于惯性微流体的高吞吐量、易于制造且不需要外力，人们对惯性微流体产生了浓厚的兴趣。惯性微流控系统的聚焦效率完全取决于微通道的几何特征，因为流体动力（惯性升力和迪恩阻力）是惯性微流控器件的主要驱动力。在过去的几年中，人们提出了新的微通道结构来提高粒子调控效率。然而，这些非常规结构的制造仍然是一个严峻的挑战。尽管研究人员推动了微纳加工技术的前沿发展，但用于惯性微流控的制造技术尚未得到全面讨论。本文介绍了用于创建惯性微通道的微纳加工方法，包括光刻、Xurography、激光切割、微加工、微线技术、蚀刻、热压花、3D打印和注塑成型。还讨论了这些方法的优缺点。然后，从分辨率、结构、成本和材料方面回顾了这些技术。本文对惯性微通道的制造方法进行了深入的探讨，有助于未来通过选择合适的制造技术来提高收获产量和分辨率。

在用于粒子操作的被动微流控方法中，惯性微流控因其简单、易于制造和高通量而被认为是一种有利的过滤和分离方法。虽然大多数微流体系统在低雷诺数（斯托克斯状态）下运行，但惯性系统在雷诺数 （Re） 的中间范围内运行，介于斯托克斯和湍流状态之间，从而显着提高吞吐量。

惯性聚焦的机制取决于惯性升力和粘性阻力之间的平衡。惯性升力主要可分为两类：由悬浮粒子与相邻壁相互作用产生的壁感应升力，以及由速度剖面表现出的抛物线曲率引起的剪切梯度升力。剪切梯度力将颗粒引向壁面，而壁面抬升力将颗粒推离壁面。先前的研究证明，阻塞率（定义为颗粒直径与通道水力直径之比）必须超过阈值 0.07 才能有效聚焦颗粒。随着堵塞率的降低，粒子聚焦的有效性会下降。因此，通道尺寸的精度对于实现有效的颗粒聚焦起着至关重要的作用。

惯性微流控器件具有不同的构型，包括直线通道、收缩-膨胀通道和弯曲通道。总体而言，粒子聚焦带的数量可以通过横截面和微通道几何形状的变化来修改。在纵横比 （AR） = 1 的方形通道中，在通道边缘中心附近观察到四个平衡位置。用矩形 （AR ≪ 1） 替换横截面可将平衡位置的数量减少到两条线。将横截面从方形或矩形修改为梯形会导至通道内速度分布的改变，从而影响剪切梯度升力。梯形横截面内速度分布的不对称性导至最大速度中心向梯形较长的一侧位移，从而将粒子聚焦引向较长的侧壁。此外，当将横截面改变为三角形时，粒子聚焦流的数量减少到一个;尽管如此，这一结果在很大程度上取决于通道的纵横比。例如，Kim等人研究了两种类型的三角形微通道（窄三角形通道和宽三角形通道），并观察到三个聚焦带。Mukherjee等人还研究了低纵横比三角形横截面对粒子聚焦的影响。他们观察到，单流粒子聚焦在通道高度的40%的位置。还进行了大量的数值研究，以说明通道的几何形状对粒子聚焦的影响。此外，更复杂的几何形状，如螺旋或收缩膨胀阵列，将减少颗粒聚焦位置的数量，并由于施加在颗粒上的二次流动和迪恩阻力而形成紧密的聚焦带。

图1 惯性微流控器件的微制造方法发展历程

传统的惯性微纳加工方法包括光刻、微加工、3D打印、热压花、微线、蚀刻和激光切割。这些方法中的每一种都非常适用于特定的几何形状和用途，因为它们具有独特的特性，例如分辨率和表面质量。例如，高表面粗糙度会影响微器件内的速度分布并增加湍流效应。因此，在惯性微流体中，高表面分辨率至关重要，因为湍流越大，流动扰动就越大。

除了几何形状之外，由于惯性微流体技术在医学和生物应用中的使用，材料选择在微纳加工方法中起着重要作用。材料选择的一个关键因素是生物相容性。例如，疏水性材料吸收药物和生物分子，或在与有机材料直接接触时膨胀。此外，透明度、可用性、成本效益和无毒等其他因素在材料选择中也很重要。

在这项研究中，首次回顾了惯性微流控中的常规制造方法。这篇综述提供了有关影响微通道表面质量的参数的全面信息，以增强高通量下的颗粒聚焦。首先，简要介绍了惯性微流控的物理原理以及制造惯性微流控器件的常用材料。然后，解释了惯性微纳加工方法及其优缺点，包括表面质量、成本和制造非常规截面的能力。随后，根据不同的标准对这些方法进行了比较，最后，阐述了惯性微流控器件的前景及其创新成果。

总体而言，虽然光刻和刻蚀可以制造分辨率为几微米的2D结构，但是这两种方法都需要复杂的设备和洁净室设施，这增加了最终的生产成本。此外，光刻只能得到正交特征。然而，对于需要尺寸在几微米范围内的通道的基于尺寸的分选应用而言，与其它制造方法相比，这两种方法仍然具有优越性。

图2 利用光刻法制造掩模的示意图

相比之下，xurography、微线埋入和热压印技术具有成本效益，但是这些方法分辨率较低，无法建立尺寸在几微米范围内的通道。对于制造具有圆形截面的微通道而言，微线埋入是一种成本低、操作简单的方法。然而，由于该技术的局限性，它只适用于直线和3D螺旋微通道的制造。对于平面结构的批量生产，热压印和注塑成型是最好的选择。

图3 （a）xurography技术示意图；（b）微加工技术示意图；（c）基于注塑成型的多层螺旋微流控器件示意图；（d）热压印技术示意图；（e）模具制造示意图；（f）微线埋入技术示意图

飞秒激光烧蚀、微加工和3D打印是制造复杂非平面结构的理想选择。飞秒激光烧蚀方法便于在玻璃内部制造矩形3D结构，而不需要键合。对于更复杂的结构，微加工和3D打印引起了极大的关注。虽然微加工技术只能用于构建母模，但3D打印可以同时用于构建母模和具有非常规结构的微型器件。

图4 （a）二氧化碳（CO₂）和紫外（UV）激光烧蚀技术示意图；（b）飞秒激光烧蚀技术示意图；（c）最终制造的微通道和母模光学图像；（d）利用CO₂激光烧蚀技术制造的三角形、梯形和高纵横比矩形截面的扫描电子显微镜（SEM）图像；（e）利用飞秒激光烧蚀技术制造的3D惯性微流控通道示意图

图5 （a）立体光固化成型（SLA）3D打印技术示意图；（b）数字光处理（DLP）3D打印技术示意图；（c）利用SLA 3D打印技术制造的3D螺旋微通道光学图像和利用SLA/DLP 3D打印技术制造的微通道横截面图；（d）熔融沉积成型（FDM）3D打印技术示意图；（e）多射流（MJ）3D打印技术示意图；（f）利用MJ 3D打印技术制造的微通道图像及其横截面

对于工业制造而言，利用注塑成型技术能够以很高的精准度快速地生产大量具有良好一致性的零件，并且该技术适用于各种材料。然而，该技术也有缺点，例如高昂的模具生产成本，有限的设计灵活性，以及最终所获得零件的表面缺陷性。

综上所述，在所有惯性微流控器件的微制造技术中，3D打印是制造复杂母模和微通道的一种经济且快速的方法。3D打印的主要优点是能够制造具有任意横截面的非常规结构。然而，每一种制造技术都有自己的优点和缺点，技术的选择最终应取决于诸如期望的生产量、器件的复杂性、材料特性和成本等多重因素。

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