用于微流控芯片液体驱动的仿叶结构微泵研究

摘要

微流控芯片通过对微量液体进行操控，能在几平方厘米的芯片上实现环境检测、药物筛选、疾病即时诊断等功能，具有低样品消耗、高分析速度、高通量、微型、便携等优势。微流控芯片内的液体精确驱动主要依靠微泵来实现，利用毛细-蒸发效应驱动的微泵，工作过程不需外界能源输入，易集成和控制、驱动力强，在微流控芯片液体驱动方面具有巨大发展潜力，然而由于工作机理研究不足，此类微泵未能实现良好的结构设计。因此，本文开展了利用毛细-蒸发效应驱动微泵的相关工作机理和结构设计研究。
　　本文研究了与毛细-蒸发效应密切相关的植物水分传输机制，提出了基于气孔蒸腾原理的叶片仿生结构，构建了以该结构为核心的仿叶结构微泵液体驱动系统。植物叶片气孔蒸腾速率是等面积自由液面蒸发速率的数十倍，蒸腾负压是植物木质部内水分长距离输运的动力。本文提出的叶片仿生结构能模拟叶片气孔蒸腾，其结构包括叶表皮细胞等价层和叶肉细胞等价层。本文研制的仿叶结构微泵以叶片仿生结构为主体，微泵流量与叶片仿生结构蒸发速率相等，受微孔和环境因素影响。仿叶结构微泵液体驱动系统以叶片仿生结构为驱动核心，以微流控芯片为工作负载。
　　本文研究了叶片仿生结构的微孔蒸发特性，揭示了叶片仿生结构的蒸发速率与其叶表皮细胞等价层上微孔结构之间的关系，为微孔阵列结构设计提供了理论支撑。叶片仿生结构的蒸发速率受微孔形状、尺寸及分布影响。建立了椭圆形微孔蒸发速率计算仿真模型，得到了微孔开口面的蒸汽扩散特征，定量评价了微孔尺寸及分布对微孔蒸发速率的影响。建立了裂缝形微孔蒸发速率的参数化计算模型，研究了尖角角度对微孔蒸发速率影响。设计制作了具有微孔阵列的叶片仿生器件，对以上模型进行了实验研究，实验值与理论值具有一致性:对微孔阵列而言，单孔面积一定、分布面积一定时，相邻孔间距倍率越小，尖角角度越小，叶片仿生结构的蒸发速率越高，叶片仿生器件的流量越大。
　　本文以叶片仿生结构为设计基础，研制了一种流量可调的仿叶结构微泵，研究了微孔阵列开孔率、环境温湿度对该微泵流量的影响。该微泵采用SU-8负胶微孔膜作为叶表皮细胞等价层，微孔膜上具有孔间距倍率为3、尖角为40°的裂缝形微孔阵列;采用琼脂糖凝胶作为叶肉细胞等价层;微泵流量调节由齿轮-齿条传动机构控制微孔的遮盖数量实现。利用微泵工作平台研究了微孔阵列开孔率与微泵流量的关系，实验结果表明:微孔阵列的开孔率与微泵的流量近似呈线性关系。设计了温湿度控制装置，研究了温度和湿度变化对该微泵流量的影响，实验结果表明:仿叶结构微泵的流量随温度下降或湿度上升而减小，常温下流量对湿度变化的响应不明显。
　　本文验证了仿叶结构微泵在微流控芯片液体驱动方面的实用性。设计了一种多层模块化构型药物筛选微流控芯片作为仿叶结构微泵的应用器件。该药物筛选芯片能同时向流线依赖型细胞培养腔内以低剪切力方式垂直灌注五种浓度的药物溶液。使用仿叶结构微泵驱动该芯片内的液体，完成了顺铂药物诱导HeLa细胞凋亡实验，实验结果显示HeLa细胞存活率和顺铂浓度呈负相关，表明利用仿叶结构微泵对药物筛选芯片内的液体驱动有效。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 微流控芯片的应用及其液体驱动方式

1．2．2 微泵的液体驱动机制研究现状

1．2．3 利用毛细-蒸发效应驱动的无源微泵研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究思路与研究内容

2 仿叶结构微泵的液体驱动机制研究

2．1 引言

2．2 植物水分传输机制

2．2．1 水分传输方式

2．2．2 叶片蒸腾负压

2．3 气孔蒸腾原理

2．3．1 气孔及气孔蒸腾过程

2．3．2 蒸腾速率影响因素

2．3．3 蒸腾速率高效性原因

2．4 叶片仿生结构设计

2．5 仿叶结构微泵驱动的液体传输系统设计

2．6 本章小结

3 叶片仿生结构微孔阵列的设计方法研究

3．1 引言

3．2．2 气孔阵列中单个气孔的蒸腾速率

3．2．3 气孔蒸腾速率计算小结

3．3 椭圆形微孔蒸发模型建立

3．3．1 仿真模型建立

3．3．2 微孔开口面蒸汽扩散特征

3．3．3 微孔尺寸和孔间距倍率对叶片仿生结构蒸发的影响

3．4 裂缝形微孔蒸发模型建立

3．4．1 多孔介质干燥理论

3．4．2 裂缝形微孔蒸发理论模型构建

3．4．3 具有裂缝形微孔的叶片仿生结构蒸发速率影响因素分析

3．5 叶片仿生结构微孔阵列设计步骤

3．6 本章小结

4 叶片仿生器件的微孔阵列蒸发特性实验研究

4．1 引言

4．2 具有椭圆形微孔阵列的叶片仿生器件蒸发实验

4．2．1 具有椭圆形微孔阵列的叶片仿生器件设计及制作

4．2．2 具有椭圆形微孔阵列的叶片仿生器件流量观测

4．2．3 实验结果与仿真结果对比

4．3．1 具有裂缝形微孔阵列的叶片仿生器件设计及制作

4．3．2 具有裂缝形微孔阵列的叶片仿生器件流量观测实验及结果讨论

4．4 本章小结

5 流量可调仿叶结构微泵设计及实验

5．1 引言

5．2 流量可调仿叶结构微泵结构

5．3 微泵工作平台

5．4 流量调节实验

5．4．1 微泵流量观测系统

5．4．2 流量调节实验及结果

5．5 温湿度影响实验

5．5．1 温湿度控制装置设计

5．5．2 实验过程及结果讨论

5．6 本章小结

6 仿叶结构微泵的微流控芯片液体驱动应用研究

6．1 引言

6．2 仿叶结构微泵驱动的药物筛选平台设计

6．3 药物筛选芯片结构设计

6．3．1 药物浓度控制单元设计

6．3．2 细胞培养单元设计

6．3．3 连续培养灌注模式设计

6．4 药物筛选芯片制作及性能测试

6．4．1 药物筛选芯片制作

6．4．2 药物浓度梯度标定

6．4．3 芯片的药物筛选性能测试

6．5 仿叶结构微泵驱动的细胞凋亡实验

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介