用于微流体空化的MEMS聚焦超声波器件研究

Microfluidic system combined with ultrasonic cavitation is emerged as an important frontier field. The key devices to achieve ultrasonic cavitation in microfluidic system is integrate MEMS focused ultrasound generator, it is different to fabricate focused ultrasound generator and detect cavitation effets. The project is focus on the study of fabrication process of MEMS ultrasonic generator and detection methods of cavitation effets in the microfluidic system: (1) Fabrication process of integrate MEMS focused ultrasound generator, study on fabrication process of the oversized complex morphology MEMS bowl-shaped substrate. (2)The detection of focusing effect on MEMS ultrasonic generator, the detection methods include photoelectric detection method and acoustic chemical detection method. To detection of focuse effects of ultrasonic wave on MEMS ultrasonic generator using detecte the quantity of sonochemical reaction product, which provide the experimental basis to design and fabricate of focusing sturcture. (3) Study of the integration of MEMS focusing the ultrasonic generator and microfluidic system. The present research project lay the foundation and provide the core components for further sutdy on miniature sonochemical reactor, the microfluidic system of ultrasonic assisted DNA cell input (for single cell analysis), and the drug delivery microfluidic system based on a cell or tissue of the cavitation (for drug effect accurate analysis).

微流体系统与超声空化结合是刚刚兴起的一个前沿领域，在微流体中实现超声空化的关键器件是与微流体系统集成的MEMS聚焦超声波发生器，目前存在聚焦结构制作困难及空化效应检测困难等问题。本项目针对现有问题，研究用于超声微流体系统的MEMS超声波发生器聚焦结构的制作工艺和微流体中空化效应的检验方法，包括:（1）MEMS超声波发生器聚焦结构的制备工艺，研究超大尺寸、复杂形貌的MEMS碗状基底加工工艺；（2）MEMS超声波发生器聚焦效果的检测，包括光电检测的方法以及声化学检测的方法，利用声化学反应产物量检验MEMS超声波发生器的聚焦效果强弱，检测的结果又可以为聚焦结构的设计和优化制作提供实验依据；（3）MEMS聚焦超声波发生器与微流体系统的工艺集成。本项目研究为进一步研制微型声化学反应器、超声波辅助DNA细胞输入的微流体系统（用于单细胞分析）和基于气穴现象的药物输送微流体系统奠定基础并提供关键部件。

MEMS超声波换能器具有小型化，功耗低等特点，在光声成像，超声成像等领域具有很好的应用前景。将MEMS聚焦超声波换能器与微流体管道集成，构成MEMS超声微流体系统，有望在微流体环境下实现局域超声空化，利用空化效应产生的局域高温、高压和冲击波可以实现微流体环境下的细胞DNA导入和药物的精准输送，这种方法不改变细胞生存环境、无需强电场或生化试剂，能够满足日益增长的单细胞操作和精确分析的需求。而这个设想变为现实并走向实用的瓶颈在于与微流体集成能量匹配的MEMS聚焦超声波换能器。. 本项目提出了一种基于柔性基底的MEMS聚焦超声波换能器，并将其集成到微管道中，构成MEMS超声微流体系统。其中碗状曲面压电薄膜结构具有自动聚焦超声波的功能。从而可以利用较低的输入电压和功率，就可在微管道内的某些局域得到超过空化阈的声压，从而实现超声空化。本项目采用一种新颖的软-硬结合的压印工艺，在聚酰亚胺薄膜上制出碗形自聚焦微结构阵列。该工艺具有简单、经济、尺寸和曲率精密可控的优点。然后，在碗形自聚焦微结构阵列上，利用磁控溅射方法制备氧化锌压电薄膜，得到柔性基底的MEMS聚焦超声波换能器阵列。最后，将柔性基底的MEMS聚焦超声波换能器阵列与PDMS微管道组装，得到超声基因递送的微流体芯片，并进行了初步的超声波细胞导入实验。实验证实了采用MEMS聚焦超声换能器阵列在微流体环境下进行基因导入的可行性和有效性。实验发现，细胞导入的成功效率随开启的超声波换能器的数量的增加而增加，说明这种细胞导入方法具有实现较高的导入成功率的潜力。