基于微循环有序汇分输运特性的微流控芯片设计方法研究

Design method of the microfluidic chip is the basic premise for achieving controllability, highly integration and industrialization. The conventional design method has limitations in terms of applicability, accuracy, flexibility, and so on, and can not effectively guide the chip production. The project proposes microcirculation bionic design method based on previous macro model and numerical model. Aimed at the key scientific issues, the mathematical model and geometric model of the chip channel network will be modeled, and the design redundancy and the channel network layout of the entire chip will be predicted and effectively controlled, based on the sequential, confluent, and bifurcate transport properties. The topological optimization method will be applied to establish objective function, optimize design variables, perform sensitivity analysis, and design geometry structure of functional units. The physical field in connection channels and functional units will be modeled using macro model and numerical model method, respectively. The interface model will be established using interpolation and data fitting to achieve system-level design and simulation for chip. Finally, the design method will be verified with experiments. The design method proposed in the project can achieve wide applicability, a small amount of computation and high accuracy, has considerable theoretical significance and scientific value for enriching and improving the design method of the microfluidic chip, and will provide new ideas and theoretical basis for the production of the microfluidic chip.

微流控芯片的设计方法是实现芯片的可控性、高度集成化、产业化的基本前提，现有的设计方法在适用性、准确性、灵活性等方面存在局限，无法有效指导芯片的制作。项目以前期研究中建立的宏模型与数值模型计算方法为基础，提出微循环仿生设计方法。针对该方法中的关键科学问题，项目拟基于微循环有序汇分输运特性，建立芯片通道网络的数学模型和几何模型，预测并有效控制设计冗余度与芯片整片通道网络布局。采用拓扑优化方法，建立目标函数，优化设计变量，进行敏度分析，设计功能单元的几何结构。利用宏模型与数值模型建模方法，分别对连接通道与功能单元中样品的物理场进行建模；利用插值与数据拟合等方法建立接口模型，实现芯片的系统级设计与仿真；最后，通过实验验证设计方法。项目提出的设计方法可实现适用性广、计算量小、准确度高等功能，对于丰富和完善微流控芯片的设计方法具有重要的理论意义和科学价值，将为微流控芯片的制作提供新思路。

微流控芯片技术是一个前沿交叉的科学技术体系，在生命科学、疾病诊断、食品安全等领域有重要的应用。微流控芯片的设计方法决定了其制造及应用，因此，对设计方法的研究具有重要的科学价值与应用价值。目前，研究人员主要根据物理直觉进行设计，且现有的设计方法在适用性、计算量、灵活性等方面缺乏有效性。生物亿万年进化形成的精巧的组织、器官和结构，尤其是人体血管网络以及其所具有的有序汇分输运特性与能量最小输运原则为研究微流控芯片中流体的输运与控制提供了丰富的想象空间。本项目中通过对人体血管微循环网络中血液流动的研究分析，基于有序汇分输运特性建立了微流控芯片中流体流动的数学模型。通过对最小能耗原则的分析，设计了微流控芯片的结构，并通过拓扑优化方法得到了微通道的最优结构，并对所建模型进行了数值模拟。采用微加工技术制造了芯片，搭建了微流体分析测试平台，进行了流体测试实验，验证了设计方法的有效性。本项目提出的设计方法对于完善和发展微流控芯片的设计方法具有重要意义。