基于三维微管道结构与外加力场新型惯性微流控调控方法与机理探索研究

Inertial microfluidics is a technology which employs fluid inertia to focus and separate micro/nano-particles. Due to the advantages of simple structure, easy operation, precise manipulation and high throughput, it has become a research hotspot in the area of microfluidics for high-efficient cellular sample preparation. In this project, we propose to develop new methods based on the cross-sectional shape of 3D channel and external force field to adjust inertial focusing and separation, to overcome the current drawbacks of the conventional inertial manipulation methods such as single way of regulation, unclear mechanism and low performance. Through theoretical analysis, numerical simulation and experimental testing, we will explore the characteristics of microparticles' inertial migration in the microchannel with complex cross sections and under external dielectrophoretic force field, and uncover the underlying mechanisms. Furthermore, the microchannel cross sectional shape will be used to optimize the current inertial microfluidic devices for blood cell separation. Meanwhile, a hybrid microfluidic platform which can manipulate and sort bioparticles more efficiently in a double-parameter manner will be developed by combining both dielectrophoresis and inertial focusing and take advantages of both technologies. Relevant outcomes will significantly expand the manipulation methods of inertial microfluidic devices, and provide theoretical guidance and technical references for the design and optimization of relevant microfluidic systems.

惯性微流控技术是利用流体惯性来聚集和分离微纳米颗粒的一种技术，由于其具有结构简单、操作简便、操控精准且高通量等的优点，成为微流控领域内生物细胞高效处理的研究热点。本项目针对传统的惯性调控方式单一、机理不清且性能不高等不足，提出利用三维管道横截面形状和外加力场来调节颗粒惯性迁移和聚集行为的新型调控方法。研究采用理论分析、数值模拟与实验测试相结合的方法，着重探究微米颗粒在复杂横截面形状微管道中以及外加介电电泳力场作用下的惯性迁移运动特性并剖析其中的调控机理。在此基础上，研究利用管道横截面形状设计来优化惯性微流控芯片结构并用于血液细胞分离。同时，建立结合介电电泳技术和惯性微流控技术的混合型微流控芯片平台，结合两种技术的优势，提出双参数分选模式来更高效地操控和分离生物颗粒。研究结果可以有效扩展现有惯性微流控芯片的调控技术，为相关微流控芯片系统的设计和优化提供理论依据与技术指导。

针对惯性微流控中惯性聚焦的调控机理不清、性能不足等局限，本报告研究了流道结构形状对颗粒惯性聚焦的调控，探索了介电电泳力（DEP）耦合惯性升力调控颗粒聚焦特性和颗粒分离。完成的任务如下：.（1）建立了颗粒在正弦形流道中惯性聚焦的数值模型。并系统地研究了流动状态、颗粒堵塞率、液体粘度、管道结构尺寸及形状对颗粒惯性聚焦特性的影响。另外，构建了颗粒在对称正弦形流道聚焦的工作状态图谱。.（2）探索研究了介电电泳（DEP）力调控惯性聚焦的机理。提出了一种新颖的介电电泳惯性微流体装置，使用垂直方向上的介电电泳力在高度方向上调控颗粒位置。由于曲线管道中二次流分布强度不均匀性，介电电泳力可以实时可控调整粒子在三维空间的聚焦特性。研究了这种DEP惯性微流体装置的机理。另外，通过设计一种鞘流辅助的介电电泳惯性微流体装置，来实时调节电压幅值来实现不同颗粒的分离。利用该装置分离测试了5µm 和13µm颗粒混合物，13µm颗粒的纯度从38％提高到93.8％，5µm颗粒的纯度从62％提高到约100％。13µm和5µm颗粒的回收率都高于95%。本研究验证了将高通量惯性聚焦技术与准确的实时可控制介电泳技术相结合的可行性。.（3）研制了高通量的惯性微流控细胞分选装置样机，分别应用于癌细胞和血液细胞的分离纯化。在该设备中，白细胞和红细胞在对称形曲线管道中沿横向方向的差分惯性聚焦并实现了血液细胞的分离。经过该设备的两次级联分离，全血中白细胞的纯度提高到了48％，平均富集率为10倍。另外，设计和制作了并行惯化性微流控设备，该设备处理通量高达14.4 ml/h。对于癌细胞和血液细胞的分离，所研制的并行化微流控装置处理的通量高达9.6 mL/min，对癌细胞系的分离回收率达到81.38%，纯度达到54.74%。另外，临床胸腔积液样本验证了研制的微流控装置性能。