3D打印多級(jí)互聯(lián)結(jié)構(gòu)的濃度梯度微流控芯片*

陳小軍，莫德云，連海山

（嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東湛江 524048）

0 引言

微流控芯片（LOC）可實(shí)現(xiàn)微尺度流體的操控與分析，具有微量、快速、陣列化、高通量等特征，在疾病診斷[1－2]、細(xì)胞篩選[3－4]、材料合成[5]、食品安全等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。濃度梯度微流控芯片作為一個(gè)新興的技術(shù)平臺(tái)越來越受到關(guān)注。通過建立內(nèi)部可控的穩(wěn)定濃度梯度，改變微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)及入口液流濃度和速度，可獲得一系列復(fù)雜的濃度梯度。這種技術(shù)與細(xì)胞培養(yǎng)、藥物篩選[6]、化學(xué)合成、細(xì)胞毒性和藥性分析[7－8]等其他技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、組織工程學(xué)[9－10]、制藥學(xué)工程等領(lǐng)域[11]。

最早由Whiteside課題組提出一種“圣誕樹”結(jié)構(gòu)的濃度梯度發(fā)生器（Concentration Gradient Generator，CGG）[12－13]，通過多級(jí)橫向通道和縱向蜿蜒通道實(shí)現(xiàn)液流分配與混合功能，實(shí)現(xiàn)不同濃度梯度的溶液，具有十分重要的意義。目前，大多數(shù)科研人員開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)濃度梯度發(fā)生器，用于生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)工程等研究領(lǐng)域。如細(xì)胞毒性測試[14]、生物和化學(xué)分析[15]、細(xì)胞高內(nèi)涵篩選[16]、細(xì)胞凋亡[17]、細(xì)胞灌注培養(yǎng)[18]、藥物篩選[19]等?，F(xiàn)在多采用傳統(tǒng)的微加工技術(shù)制作微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)于復(fù)雜的微通道結(jié)構(gòu)制造（尤其是多級(jí)互聯(lián)結(jié)構(gòu)）則很困難，因此限制了微流控芯片產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。隨著3D 打印技術(shù)興起，越來越多的研究者采用3D 打印技術(shù)直接制作微流控芯片，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡單快速、低成本、高精度等一步式制造。如Bhargava[20]采用3D 打印技術(shù)開發(fā)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組件和連接器的樣本庫，形成了可擴(kuò)展和縮小的輸出的可調(diào)濃度生成裝置。Shallan[21]等使用3D 打印技術(shù)制作的濃度梯度生產(chǎn)器，2 個(gè)溶液入口，經(jīng)過4 層后生成5 種濃度梯度。根據(jù)文獻(xiàn)研究得知，采用傳統(tǒng)微加工技術(shù)或者3D打印技術(shù)制作的微流控芯片都是在二維平面結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的濃度梯度，如圣誕樹結(jié)構(gòu)[12－13]、T 型結(jié)構(gòu)[22]等。若需要產(chǎn)生更多的濃度梯度則芯片面積增大，微通道變得冗長，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。雖然能得到穩(wěn)定、可控的濃度梯度，但是芯片延展性差。平面結(jié)構(gòu)的微流控芯片只能進(jìn)行兩個(gè)分析物之間的相互混合，對(duì)于多個(gè)分析物的濃度梯度同時(shí)實(shí)現(xiàn)則比較困難。3D打印多級(jí)互聯(lián)結(jié)構(gòu)的微流控芯片對(duì)多個(gè)分析物的濃度梯度的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效途徑。多級(jí)互聯(lián)結(jié)構(gòu)的微流控芯片在時(shí)間和空間上產(chǎn)生的濃度梯度能夠保持穩(wěn)定性，并且梯度分布比較多樣化。在立體空間中多個(gè)分析物相互混合分配，有助于建立合適的體外模型，更好地模擬生物體內(nèi)的真實(shí)環(huán)境，對(duì)生命活動(dòng)進(jìn)行更加精確地研究。這些優(yōu)勢(shì)在化學(xué)分析和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究中體現(xiàn)得更加明顯。

本文利用3D打印技術(shù)制造了一種新型的微流控濃度梯度生成器，該結(jié)構(gòu)由4層4進(jìn)口、36出口多級(jí)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)微通道組成，可以實(shí)現(xiàn)2 種、3 種或4 種分析物溶液的混合，產(chǎn)生任意曲線的濃度梯度分布。基于連續(xù)稀釋和層流擴(kuò)散混合原理，對(duì)微流控芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和濃度形成進(jìn)行了分析；為驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，對(duì)影響出口溶液濃度的關(guān)鍵參數(shù)如不同液流速度、不同壓力等進(jìn)行了仿真分析。實(shí)驗(yàn)部分從定性和定量2個(gè)方面表征了濃度梯度分布，建立了濃度與灰度值的擬合曲線，便于濃度的讀取。多藥物濃度形成可實(shí)現(xiàn)了多股溶液的平均分配和混合，為濃度梯度微流控技術(shù)發(fā)展提供了良好的選擇。

1 多級(jí)互聯(lián)結(jié)構(gòu)的微流控芯片

1.1 多級(jí)互聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

為了提高通量且實(shí)現(xiàn)濃度梯度的大規(guī)模建立，設(shè)計(jì)一種近似仿生結(jié)構(gòu)的多級(jí)互聯(lián)微通道流量分配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)芯片結(jié)構(gòu)成階梯狀4層4進(jìn)口、36出口立體構(gòu)型，由不同數(shù)量的樹狀分支結(jié)構(gòu)疊加而成。每一層（1、2、3、4）結(jié)構(gòu)溶液的出口數(shù)量分別為9、16、25、36，溶液的出口數(shù)量成指數(shù)級(jí)增長。若芯片層數(shù)記為N（Ni＝1，2，3，…），每層出口數(shù)量記為M，出口數(shù)量M＝(Ni＋2)2，與之前文獻(xiàn)設(shè)計(jì)相比，實(shí)現(xiàn)了溶液出口數(shù)量的成倍增長。微通道網(wǎng)絡(luò)芯片每增加一層，分配通道（分支通道）數(shù)目為上一層混合通道（垂直通道）數(shù)目的4倍，即4×M；混合通道數(shù)目呈指數(shù)增長，即為該層微通道網(wǎng)絡(luò)的出口數(shù)量M＝(Ni＋2)2。如圖1所示。所設(shè)計(jì)的濃度梯度微流控芯片能夠快速建立大規(guī)模穩(wěn)定而可控的濃度梯度，可進(jìn)行芯片上多濃度多藥物的同時(shí)篩選和高通量操作。

圖1 3D打印多級(jí)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)

其中，圖1（a）中1 為溶液進(jìn)口區(qū)，2 為濃度梯度生成區(qū)，3 為溶液濃度出口區(qū)，芯片結(jié)構(gòu)由4 層，4 個(gè)進(jìn)口，36個(gè)出口組成；圖1（b）中箭頭為流動(dòng)方向。

該結(jié)構(gòu)混合通道垂直長度4 mm，分配通道分支長度為4.2 mm，分配通道的寬度和直徑設(shè)計(jì)為0.6 mm，微通道橫截面為正方形結(jié)構(gòu)，芯片總體尺寸為23 mm×23 mm×36 mm。由于每層分通道尺寸相同，芯片為Y 軸對(duì)稱排布，所以每層分配通道內(nèi)液體流動(dòng)阻力相同。當(dāng)各個(gè)入口處的流速相同，溶液從垂直通道進(jìn)入分配通道，理想狀態(tài)下遵循平均分配原則，具體分配樣式如圖2所示。

根據(jù)溶液稀釋原理[14]，每個(gè)分支點(diǎn)的溶液分為4份，單分支通道（如圖2 標(biāo)記為1）溶液濃度為原來溶液的濃度，即為a，b，c，d；兩分支混合通道（如圖2標(biāo)記為2）溶液濃度占原分支通道內(nèi)溶液的1/2，即為(a＋b)/2，(a＋c)/2，(b＋d)/2，(c＋d)/2；四分支混合通道（如圖2 標(biāo)記為3）溶液濃度占原分支通道溶液的1/4，即為(a+b+c+d)/4，直接流入與其正對(duì)的下級(jí)分支通道；下一層分支通道繼續(xù)上一層分支通道分配方法，利用分子自由擴(kuò)散作用，新增分支通道中的非同源溶液經(jīng)混合擴(kuò)散后最終形成均質(zhì)溶液，具有新的濃度，而且濃度為兩股或四股非同源溶液濃度的中間值。如此進(jìn)行逐級(jí)分配和混合過程，進(jìn)行5 次后，得到了M 個(gè)系列濃度梯度。對(duì)于多層級(jí)的微流控芯片，遵循上述計(jì)算方法。

圖2 濃度梯度微流控芯片分配

多級(jí)互聯(lián)微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)微通道內(nèi)溶液的平均分配，還需要實(shí)現(xiàn)每層新增分支通道中溶液的完全混合，才能獲得新的濃度。在微米尺度下的溶液流動(dòng)屬于層流，溶液分子主要通過兩相界面的相互自由擴(kuò)散達(dá)到混合。因此在分支通道內(nèi)的完全混合需要考察自由擴(kuò)散和層流的2個(gè)因素。在微尺度下溶液分子擴(kuò)散的方程為：

式中：R 為氣體常數(shù)；D 為擴(kuò)散系數(shù)；T 為熱力學(xué)溫度；L 為阿伏加德羅常數(shù)；η為介質(zhì)粘度；d 為溶液分子直徑；t 為擴(kuò)散時(shí)間；h為擴(kuò)散距離。

對(duì)于已知的溶液擴(kuò)散系數(shù)是確定的，擴(kuò)散距離越小，擴(kuò)散時(shí)間越短。本實(shí)驗(yàn)使用羅丹明6G溶液為樣本溶液，分子量為479，擴(kuò)散系數(shù)為3.9×10－10m2/s，初步計(jì)算微通道內(nèi)溶液的擴(kuò)散時(shí)間為4 min內(nèi)建立穩(wěn)定的濃度梯度。

1.2 多級(jí)互聯(lián)結(jié)構(gòu)微流控芯片制造

3D 打印技術(shù)也稱“增材制造技術(shù)”，通過精密控制光源對(duì)光敏樹脂進(jìn)行每層曝光固化成型。濃度梯度微流控芯片采用3D 打印技術(shù)（ProJet?D3510，3D Systems）制造，芯片主體材料為VisiJet?M3 Crystal，輔助材料為VisiJet?S300 蠟質(zhì)支撐材料。如圖3 所示。對(duì)于4 進(jìn)口、36 出口的濃度梯度微流控芯片，內(nèi)部微通道復(fù)雜而且互相連通，完成常規(guī)的蠟質(zhì)支撐材料去除過程[23－25]（如烘烤、超聲處理等）后，微通道還會(huì)有殘留的支撐材料。為了蠟質(zhì)支撐材料去除得更加干凈，使用蠕動(dòng)泵連接進(jìn)出口循環(huán)沖洗芯片通道，去除殘留的蠟質(zhì)材料；將清洗干凈的芯片放到烤箱烘烤一段時(shí)間，再慢慢冷卻處理得到好的光學(xué)透明性[25]，在實(shí)驗(yàn)時(shí)有利于觀察和拍照效果。

圖3 微流控芯片實(shí)體結(jié)構(gòu)

2 濃度梯度微流控芯片的性能分析

由3D打印濃度梯度微流控芯片結(jié)構(gòu)可知，濃度梯度微流控芯片經(jīng)過一系列的分配和混合，在出口處可以得到不同的濃度梯度。改變進(jìn)口溶液的不同配比、液流速度、微通道堵塞口等因素都可能會(huì)使微流控芯片出口出現(xiàn)不同的濃度梯度分布。在微米尺度下，其雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于1，黏滯力大于慣性力，黏滯力占主導(dǎo)作用，流體流動(dòng)為層流狀態(tài)。兩相溶液不會(huì)相互混合，但在兩相溶液接觸面上會(huì)發(fā)生分子的自由擴(kuò)散，隨著兩相溶液向下層流動(dòng)，分子擴(kuò)散時(shí)間增加，兩相溶液在下層形成濃度梯度。濃度梯度的分布情況可以采用對(duì)流傳質(zhì)方程解釋[26－27]：

式中：c為溶質(zhì)濃度；D為擴(kuò)散系數(shù)；u為流體速度。

利用多物理場耦合軟件COMSOL 仿真濃度梯度微流控芯片的性能，微流體的液體流動(dòng)可認(rèn)為是不可壓縮的牛頓流體，假定是無滑移邊界條件，可以用Navier－Stokes 方程來進(jìn)行求解。以下從仿真的角度對(duì)濃度梯度微流控芯片產(chǎn)生濃度梯度的可行性和效果進(jìn)行分析，為了簡化模型采用2層4進(jìn)口16出口的模型進(jìn)行仿真，縮短仿真時(shí)間。

2.1 濃度梯度分布

濃度梯度分布仿真如圖4 所示。圖中邊長方向繪制，縱坐標(biāo)為溶液濃度，橫坐標(biāo)為微通道出口，（a）、（d）為進(jìn)口A通入樣本溶液濃度，B、C、D 三個(gè)進(jìn)口通入水溶液，在出口處形成的線性濃度分布；（b）、（e）為進(jìn)口A、B通入樣本溶液濃度，進(jìn)口C、D通入水溶液，在出口處形成階梯形濃度分布；（c）、（f）為進(jìn)口A、C通入樣本溶液濃度，進(jìn)口B、D通入水溶液，在出口處形成對(duì)稱的拋物線分布。

圖4 濃度梯度分布仿真

當(dāng)微通道進(jìn)口A 通入濃度50 mol/m3樣本溶液，微通道入口B、C、D通入水溶液，流速為3 μL/min時(shí)，通入的溶液進(jìn)行多次的分配、混合，再分配、再混合的過程，最終在出口處形成16種不同的濃度組成的線性濃度分布，如圖4（d）所示；當(dāng)微通道進(jìn)口A、B通入濃度50 mol/m3樣本溶液，微通道入口C、D 通入水溶液時(shí)，微通道出口處形成階梯形濃度梯度曲線，如圖4（e）所示；當(dāng)微通道進(jìn)口A、C 通入濃度50 mol/m3樣本溶液，微通道入口B、D通入水溶液時(shí)，濃度梯度呈現(xiàn)近似拋物線對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖4（f）所示。通過設(shè)置微通道進(jìn)口溶液的不同濃度的比值，仿真得到如線性梯度、拋物線梯度、階梯形梯度曲線的濃度梯度分布，該結(jié)構(gòu)生成的濃度梯度具有穩(wěn)定性好、易于定量、精確可控等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 混合分析

微流控芯片需要形成穩(wěn)定的濃度梯度，與溶液入口流速關(guān)系密切，溶液入口流速直接影響各垂直微通道的混合效果。當(dāng)設(shè)置入口流速為3 μL/min、30 μL/min、60 μL/min，如圖5 所示，溶液流速小于3 μL/min 時(shí)，溶液流速慢，溶液經(jīng)分支通道流入垂直通道后兩種溶液很快相互擴(kuò)散混合，在到達(dá)微通道的L截線之前已經(jīng)混合均勻；當(dāng)溶液濃度為30 μL/min和60 μL/min時(shí)，在到達(dá)微通道的L截線之前并未達(dá)到完全混合；此時(shí)溶液在垂直通道流速太快，造成溶液在垂直通道擴(kuò)散時(shí)間較短，從而沒有形成穩(wěn)定的濃度梯度。仿真采用三層立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的芯片，溶液總的流過距離短，溶液混合距離也短，達(dá)到形成穩(wěn)定的濃度梯度需要時(shí)間長。當(dāng)芯片層級(jí)越多時(shí)，入口速度可以設(shè)置越大，溶液也能在出口處也能達(dá)到完全混合。另外形成穩(wěn)定的濃度梯度，除了與芯片的結(jié)構(gòu)、尺寸有關(guān)系之外，還與微通道里的壓力和流速大小相關(guān)。如圖6所示，溶液在微通道內(nèi)的流速和壓力在不同位置的曲線關(guān)系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著溶液從上層流到下層時(shí)，微通道內(nèi)的流速和壓力都是逐漸減小。表明微通道內(nèi)部不同位置對(duì)壓力和流速的影響程度不一樣。微通道殘留的支撐材料或者內(nèi)部粗糙度過大也會(huì)影響溶液的壓力和流速。

圖5 不同流速的混合效果

圖6 微流控芯片通道的流速和壓力在不同位置的變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)芯片材料的疏水特性以及多級(jí)互聯(lián)微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通入溶液時(shí)在微通道內(nèi)極易產(chǎn)生殘存氣泡。殘存的氣泡會(huì)阻礙溶液的正常流動(dòng)，影響出口濃度梯度的形成，故實(shí)驗(yàn)前需解決氣泡問題。簡單的方法一般將制作好的芯片放入真空干燥箱，然后抽真空30 min，接入微量注射泵以100 μL/min的流速快速充滿通道，從而將氣泡排除。

3.1 濃度梯度的定性表征

圖7（a）所示對(duì)角線位置的2 個(gè)進(jìn)口分別通入藍(lán)色和綠色染料溶液，另一個(gè)對(duì)角線2個(gè)進(jìn)口使用水溶液。溶液呈現(xiàn)對(duì)角分布而且有線性梯度，兩相溶液交界處溶液有稀釋效果。如圖7（b）所示，在一個(gè)進(jìn)口處通入紅色染料溶液，另外3個(gè)對(duì)角線進(jìn)口通入水溶液。部分出口溶液得到稀釋，濃度出現(xiàn)線性梯度，通過顏色可以判別兩種溶液的稀釋混合情況。由仿真分析結(jié)果得知，當(dāng)一個(gè)進(jìn)口通入樣本溶液，其他入口通入水溶液時(shí)，A、B兩列溶液應(yīng)該不會(huì)混合樣本溶液。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，A、B 兩列混合了濃度不相等的樣本溶液，主要原因可能是微通道堵塞時(shí)液流選擇附近相通的通道流動(dòng)或者芯片內(nèi)滲透作用導(dǎo)致的。

圖7 定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 濃度梯度的定量表征

為了定量讀取濃度，實(shí)驗(yàn)采用羅丹明6G溶液和去離子水作為混合體溶液來表征溶液的濃度梯度，先配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的羅丹明6G 溶液作為母液，定義為相對(duì)100%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再用母液分別配制0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%的羅丹明6G溶液，如圖8所示。通過圖像處理軟件對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的羅丹明6G 溶液進(jìn)行圖像處理，獲取相應(yīng)的灰度值，將相應(yīng)的數(shù)值擬合成二次多項(xiàng)式，形成溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與灰度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，取得圖片的灰度值后轉(zhuǎn)換成濃度值。如圖9 所示，可以看出灰度值隨羅丹明6G溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小。

圖8 不同的溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)本

圖9 灰度值擬合曲線

實(shí)驗(yàn)通入羅丹明6G溶液經(jīng)分配、混合，再分配、再混合的過程，在出口處形成溶液濃度梯度，經(jīng)圖像處理軟件轉(zhuǎn)換成8－bit 灰階圖像，然后獲取虛線框的灰度值。再通過圖9 羅丹明6G溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與灰度值的關(guān)系圖得出虛線框溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再轉(zhuǎn)化為溶液的濃度值。如圖10（d）所示的實(shí)驗(yàn)灰度圖，其中一個(gè)入口通入樣本溶液，另外3 個(gè)入口通入水溶液。圖10（a）～（c）為9、25、36 個(gè)出口的濃度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的濃度曲線（虛線框?yàn)閷?shí)驗(yàn)和仿真分析對(duì)象），在溶液出口處呈線性關(guān)系，兩者表現(xiàn)非常好的一致性。通過改變?nèi)芤哼M(jìn)口濃度以及改變?nèi)芤哼M(jìn)口速度，可以得到如拋物線、階梯形等不同曲線的濃度梯度分布。出現(xiàn)誤差的原因有很多種，比如說微通道內(nèi)部還有殘留蠟質(zhì)材料、實(shí)驗(yàn)條件限制及操作人員技術(shù)不熟練等造成的。3D打印微通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，去除微通道支撐材料困難，殘留的支撐材料相當(dāng)于在微通道內(nèi)部增加了不規(guī)則的障礙塊。障礙塊影響濃度梯度分布情況，但是加強(qiáng)了液體在微通道的擾動(dòng)，增強(qiáng)溶液的混合效果，所以一般可以不考慮。針對(duì)誤差問題，嘗試重新設(shè)計(jì)微通道結(jié)構(gòu)，將微通道改成圓管型，微通道內(nèi)部變得更加光滑，有利于溶液的流動(dòng)和支撐材料的去除；也可將微流控芯片分層打印，模塊化集成再裝配成型，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的微流控芯片簡單方便，延展性強(qiáng)，適應(yīng)場合多。

圖10 微流控芯片濃度梯度實(shí)驗(yàn)與仿真分析結(jié)果（虛線處分析）

4 結(jié)束語

本文采用3D打印技術(shù)制造了一種新型的微通道多級(jí)互聯(lián)結(jié)構(gòu)的濃度梯度微流控芯片。芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為4層4入口、36出口，主要由分支通道和垂直通道疊加組成。通過COMSOL軟件對(duì)微流控濃度梯度芯片進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果顯示，設(shè)置不同的入口濃度及流速可以生成一系列的濃度梯度分布，如線性濃度、階梯濃度、拋物線形濃度等；入口流速越小，混合效果越好，越能產(chǎn)生穩(wěn)定的濃度梯度，但耗費(fèi)時(shí)間長；還分析了堵塞口位置對(duì)溶液濃度分布的影響。實(shí)驗(yàn)部分和仿真結(jié)果有很好的一致性，說明此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。文中所設(shè)計(jì)的微流控濃度梯度生成器，主要優(yōu)勢(shì)如下。

（1）采用3D打印技術(shù)制作多級(jí)互聯(lián)結(jié)構(gòu)的芯片。內(nèi)部微通道設(shè)計(jì)成立體網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以充分的混合兩種或者多種藥物濃度，增加了混合種類及混合效率。傳統(tǒng)圣誕樹、T型結(jié)構(gòu)的濃度梯度生產(chǎn)器只能進(jìn)行溶液的兩兩相互混合。

（2）大規(guī)模濃度梯度的形成。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)過4層4個(gè)入口，一次性可以生成36種濃度梯度，出口濃度數(shù)量呈指數(shù)增長。傳統(tǒng)圣誕樹、T型結(jié)構(gòu)的濃度梯度生產(chǎn)器，每增加一層只增加一種濃度梯度，如果要生成36種濃度梯度分布，則需要使用6個(gè)同樣的芯片疊加而成，然而增加了芯片的面積，不適合大規(guī)模集成。

該濃度梯度微流控芯片具有多藥物濃度形成、延展性好、易于讀取、高通量等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于新藥研發(fā)中的藥物篩選、化學(xué)合成；也可集成微流控微泵、微閥、微傳感器等組件形成多功能微流控芯片，進(jìn)行細(xì)胞分析檢測、趨向性研究等。