基于微流體脈沖驅(qū)動(dòng)—控制技術(shù)的微液滴制備改進(jìn)方法研究

姜德航 程陽潔 謝卓然 寸怡鵬 王菲

摘 要

微液滴在醫(yī)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，微液滴的制備方法也日新月異。本文基于微流體脈沖驅(qū)動(dòng)-控制技術(shù)，搭建了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的微液滴制備改進(jìn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了蒸餾水液滴及海藻酸鈉微膠囊制備實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該改進(jìn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)微液滴的穩(wěn)定制備，且制備的液滴粒徑均一，單分散性良好。

關(guān)鍵詞

微流體脈沖驅(qū)動(dòng)-控制技術(shù);COMSOL Multiphysics;電磁鐵

中圖分類號： TN402 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 38

Abstract

Microdroplets have a wide range of applications in the fields of medicine， chemistry， biology， etc. The preparation methods of microdroplets are also changing with each passing day. Based on the pulse driving & controlling of micro-fluids technology， a microfluid preparation system with simple structure and low cost was built. The experiment of distilling water droplets and sodium alginate microcapsules were carried out. The experimental results show that the improved system can achieve stable preparation of microdroplets， and the prepared droplets have uniform particle size and good monodispersity.

Key words

Pulse driving & controlling of micro-fluids technology; COMSOL Multiphysics; Electromagnet

0 引言

微液滴具有體積小、比表面積大、體系封閉、內(nèi)部穩(wěn)定等特性[1]，在催化劑、藥物控釋、單細(xì)胞封存與培養(yǎng)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，微液滴制備技術(shù)也因此在近幾十年間不斷更新和發(fā)展。從高速攪拌法、膜乳化等傳統(tǒng)的制備微液滴的方法，到通過制備微流控芯片獲得微液滴，再到近幾年發(fā)展起來的片外制備方法，微液滴的生成越來越高效可控。片外制備微液滴兼具了傳統(tǒng)制備方法和微流控芯片的一些特點(diǎn)，并且在節(jié)約成本、微液滴高通量生成及精確控制等方面更具優(yōu)勢[2]。

本文在微流體脈沖驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真分析，對實(shí)驗(yàn)室原有系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，搭建了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的新系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)微液滴的穩(wěn)定制備，并且制備的微液滴單分散性良好。

1 背景技術(shù)

微流體脈沖驅(qū)動(dòng)-控制技術(shù)[3]的實(shí)質(zhì)是：通過人為地產(chǎn)生和運(yùn)用可預(yù)測、可控制的小幅脈動(dòng)形態(tài)流動(dòng)，形成自然合理的間歇急變運(yùn)動(dòng)形態(tài)，解決了微流體系統(tǒng)中易陷入流動(dòng)不正常狀態(tài)的問題。

基于微流體脈沖驅(qū)動(dòng)-控制技術(shù)的原理裝置由驅(qū)動(dòng)器和含有微流道的流路本體兩部分組成。微流道固壁在脈沖驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下，沿其縱向作加速度絕對值變化的運(yùn)動(dòng)，通過流體相對于固壁的縱向慣性力與流體本身黏性力之間相對大小的變化，影響流體的流動(dòng)。所述驅(qū)動(dòng)器既可置于流道外部，也可置于所述流路本體外部，因此，可以選用較大尺寸的驅(qū)動(dòng)器來提供大的驅(qū)動(dòng)力，以保證微流路本體及其流道固壁能夠獲得絕對值足夠大的加速度。所述驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)參數(shù)種類繁多，如波形、頻率、幅值等，因此易于實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制效果。此外，整體裝置結(jié)構(gòu)簡單，可抗固粒堵塞，生產(chǎn)率、可靠性高;對粉體、液體均適用，流動(dòng)分辨率可達(dá)飛升級;并且工作環(huán)境友好，可用于細(xì)胞注射等間歇作業(yè)。

2 微流體脈沖驅(qū)動(dòng)-控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)方案

2.1 原有系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室已有的微液滴制備系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、微液滴打印頭、堆棧式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)組成。堆棧式壓電陶瓷有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性良好，可產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力等優(yōu)勢。但是外加工率電源對壓電驅(qū)動(dòng)器件的精度以及分辨率有一定的影響，國內(nèi)市場中的功率電源大多功耗較大且性能不穩(wěn)定，進(jìn)口電源在國內(nèi)呈壟斷狀態(tài)，價(jià)格昂貴[4]，因此需要一種更高性價(jià)比且更穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)器來提供脈沖驅(qū)動(dòng)力。

2.2 改進(jìn)系統(tǒng)

2.2.1 驅(qū)動(dòng)器的選擇

近年來，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，電磁鐵在磁懸浮、精密運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域取得了很大的突破。電磁鐵的體積小巧，易于微型化;與堆棧式壓電陶瓷相比，控制電路簡單，成本低廉;且電磁鐵具有大的輸出力，能夠滿足對脈沖驅(qū)動(dòng)力的要求[5]。

2.2.2 改進(jìn)系統(tǒng)的搭建

改進(jìn)的微液滴制備系統(tǒng)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由電磁鐵驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)、穩(wěn)壓電源、和微噴嘴組成。微噴嘴與電磁鐵鐵芯連接固定，隨著電磁鐵鐵芯的周期性伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)液滴的連續(xù)噴射。驅(qū)動(dòng)力的大小調(diào)節(jié)可以通過：（1）通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源，改變施加于電磁鐵兩端的驅(qū)動(dòng)電壓;（2）通過控制電路改變電磁鐵的運(yùn)動(dòng)頻率。

3 改進(jìn)系統(tǒng)制備微液滴仿真分析

COMSOL Multiphysics是一款操作簡單、計(jì)算精度高、功能強(qiáng)大的多物理場建模仿真軟件。本文基于COMSOL Multiphysics，以微噴嘴內(nèi)流體流動(dòng)區(qū)域及其外部空氣域?yàn)檠芯繉ο?，對以電磁鐵為驅(qū)動(dòng)器的改進(jìn)微液滴制備系統(tǒng)制備微液滴的過程進(jìn)行模擬仿真[6]。

選擇添加“流體流動(dòng)”物理場下的“層流兩相流，水平集”進(jìn)行研究，并繪制如圖3所示的二維軸對稱模型，具體模型參數(shù)見表1。

繪制好的模型基礎(chǔ)上，采用自由三角形網(wǎng)格對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。接著，設(shè)置求解區(qū)域邊界（目標(biāo)邊界設(shè)置為“潤濕壁”條件，其他邊界設(shè)置為“無滑移”條件）并添加平滑矩形脈沖函數(shù)來近似模擬脈沖驅(qū)動(dòng)-控制過程。模型中噴嘴內(nèi)流體材料設(shè)置為海藻酸鈉溶液，空氣域流體材料設(shè)置為空氣，具體參數(shù)值見表2。

經(jīng)求解計(jì)算后，得到如上圖5所示的不同時(shí)刻海藻酸鈉液滴的形態(tài)和速度場。從圖中可以看出，微液滴的生成過程經(jīng)歷了五個(gè)階段，即生成階段、伸長階段、頸縮階段、斷裂階段以及成滴階段。

當(dāng)海藻酸鈉溶液由噴嘴口噴出時(shí)，噴嘴內(nèi)海藻酸鈉溶液對噴嘴前端空氣造成沖擊，產(chǎn)生一個(gè)速度較高的空氣域;隨著脈沖函數(shù)的不斷驅(qū)動(dòng)，海藻酸鈉溶液持續(xù)流出并在噴嘴前端形成微液柱，在空氣阻力和表面張力的作用下，微液柱前端表面收縮成圓形;當(dāng)液柱伸長至一定長度時(shí)，在噴嘴管壁摩擦力和表面張力的作用下，發(fā)生“頸縮”現(xiàn)象[4]，此時(shí)整體流速呈前高后低分布;在這種速度分布差異的影響下，液柱越拉越長，頸部越來越細(xì)，最終斷裂形成海藻酸鈉微液滴。可以看出，改進(jìn)系統(tǒng)同樣可以穩(wěn)定的制備微液滴。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用改進(jìn)系統(tǒng)，在內(nèi)徑100μm的微噴嘴內(nèi)注入蒸餾水，進(jìn)行蒸餾水液滴噴射實(shí)驗(yàn)，得到如圖6所示的液滴圖片。所制備的蒸餾水液滴粒徑均一，單分散性良好。

在微噴嘴內(nèi)注入濃度為3%的海藻酸鈉溶液，噴入飽和氯化鈣溶液中，得到如圖7所示的海藻酸鈉微膠囊。改變施加于電磁鐵兩端的驅(qū)動(dòng)電壓，保持微噴嘴內(nèi)徑100μm不變，得到如圖8所示的結(jié)果，可以看出，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加，制備的海藻酸鈉微膠囊的直徑也隨之增大。

5 結(jié)論

與基于堆棧式壓電陶瓷進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的微液滴制備系統(tǒng)相比，改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單，成本更為低廉。既不需要對性能要求較高的功率電源，也不需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微液滴打印頭，只需穩(wěn)壓電源和單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對電磁鐵的驅(qū)動(dòng)和控制。

使用改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行微液滴制備實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：改進(jìn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)微液滴的穩(wěn)定制備，所制備的微液滴粒徑均一，單分散性良好，并且隨著施加驅(qū)動(dòng)電壓的增加，制備液滴的粒徑也隨之增大。此外，該系統(tǒng)能夠噴射黏度較大的海藻酸鈉溶液，并制備海藻酸鈉微膠囊，在生物醫(yī)學(xué)方面有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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