基于微流體脈沖驅動—控制技術的微液滴制備改進方法研究

姜德航 程陽潔 謝卓然 寸怡鵬 王菲

摘 要

微液滴在醫學、化學、生物學等領域有著廣泛的應用，微液滴的制備方法也日新月異。本文基于微流體脈沖驅動-控制技術，搭建了一種結構簡單、成本低廉的微液滴制備改進系統，并進行了蒸餾水液滴及海藻酸鈉微膠囊制備實驗。實驗結果表明該改進系統能夠實現微液滴的穩定制備，且制備的液滴粒徑均一，單分散性良好。

關鍵詞

微流體脈沖驅動-控制技術;COMSOL Multiphysics;電磁鐵

中圖分類號： TN402 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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、內部穩定等特性[1]，在催化劑、藥物控釋、單細胞封存與培養等領域有著重要的應用，微液滴制備技術也因此在近幾十年間不斷更新和發展。從高速攪拌法、膜乳化等傳統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制備方法和微流控芯片的一些特點，并且在節約成本、微液滴高通量生成及精確控制等方面更具優勢[2]。

本文在微流體脈沖驅動控制技術的基礎上，結合仿真分析，對實驗室原有系統進行改進，搭建了一種結構簡單、成本低廉的新系統，該系統能夠實現微液滴的穩定制備，并且制備的微液滴單分散性良好。

1 背景技術

微流體脈沖驅動-控制技術[3]的實質是：通過人為地產生和運用可預測、可控制的小幅脈動形態流動，形成自然合理的間歇急變運動形態，解決了微流體系統中易陷入流動不正常狀態的問題。

基于微流體脈沖驅動-控制技術的原理裝置由驅動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動力的驅動下，沿其縱向作加速度絕對值變化的運動，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。所述驅動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動器來提供大的驅動力，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。所述驅動器的驅動參數種類繁多，如波形、頻率、幅值等，因此易于實現預期的控制效果。此外，整體裝置結構簡單，可抗固粒堵塞，生產率、可靠性高;對粉體、液體均適用，流動分辨率可達飛升級;并且工作環境友好，可用于細胞注射等間歇作業。

2 微流體脈沖驅動-控制實驗系統改進方案

2.1 原有系統

實驗室已有的微液滴制備系統如圖1所示，系統由計算機、微液滴打印頭、堆棧式壓電陶瓷驅動器及其控制系統組成。堆棧式壓電陶瓷有靈敏度高、動態響應特性良好，可產生較大的驅動力等優勢。但是外加工率電源對壓電驅動器件的精度以及分辨率有一定的影響，國內市場中的功率電源大多功耗較大且性能不穩定，進口電源在國內呈壟斷狀態，價格昂貴[4]，因此需要一種更高性價比且更穩定的驅動器來提供脈沖驅動力。

2.2 改進系統

2.2.1 驅動器的選擇

近年來，隨著控制技術的發展，電磁鐵在磁懸浮、精密運動控制等領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，能夠滿足對脈沖驅動力的要求[5]。

2.2.2 改進系統的搭建

改進的微液滴制備系統如圖2所示，整個系統由電磁鐵驅動器、單片機、穩壓電源、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動實現液滴的連續噴射。驅動力的大小調節可以通過：（1）通過調節穩壓電源，改變施加于電磁鐵兩端的驅動電壓;（2）通過控制電路改變電磁鐵的運動頻率。

3 改進系統制備微液滴仿真分析

COMSOL Multiphysics是一款操作簡單、計算精度高、功能強大的多物理場建模仿真軟件。本文基于COMSOL Multiphysics，以微噴嘴內流體流動區域及其外部空氣域為研究對象，對以電磁鐵為驅動器的改進微液滴制備系統制備微液滴的過程進行模擬仿真[6]。

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

繪制好的模型基礎上，采用自由三角形網格對其進行網格劃分，網格劃分結果如圖4所示。接著，設置求解區域邊界（目標邊界設置為“潤濕壁”條件，其他邊界設置為“無滑移”條件）并添加平滑矩形脈沖函數來近似模擬脈沖驅動-控制過程。模型中噴嘴內流體材料設置為海藻酸鈉溶液，空氣域流體材料設置為空氣，具體參數值見表2。

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

當海藻酸鈉溶液由噴嘴口噴出時，噴嘴內海藻酸鈉溶液對噴嘴前端空氣造成沖擊，產生一個速度較高的空氣域;隨著脈沖函數的不斷驅動，海藻酸鈉溶液持續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;當液柱伸長至一定長度時，在噴嘴管壁摩擦力和表面張力的作用下，發生“頸縮”現象[4]，此時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，最終斷裂形成海藻酸鈉微液滴。可以看出，改進系統同樣可以穩定的制備微液滴。

4 實驗結果

使用改進系統，在內徑100μm的微噴嘴內注入蒸餾水，進行蒸餾水液滴噴射實驗，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動電壓，保持微噴嘴內徑100μm不變，得到如圖8所示的結果，可以看出，隨著驅動電壓的增加，制備的海藻酸鈉微膠囊的直徑也隨之增大。

5 結論

與基于堆棧式壓電陶瓷進行驅動的微液滴制備系統相比，改進系統結構更為簡單，成本更為低廉。既不需要對性能要求較高的功率電源，也不需要結構復雜的微液滴打印頭，只需穩壓電源和單片機即可實現對電磁鐵的驅動和控制。

使用改進系統進行微液滴制備實驗，結果表明：改進系統可以實現微液滴的穩定制備，所制備的微液滴粒徑均一，單分散性良好，并且隨著施加驅動電壓的增加，制備液滴的粒徑也隨之增大。此外，該系統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，在生物醫學方面有一定的應用價值。

參考文獻

[1]劉趙淼，楊洋，杜宇，等.微流控液滴技術及其應用的研究進展[J].分析化學，2017，45（2）：282-296.

[2]魏玉瑤，孫子喬，任昊慧，等.微液滴生成方法的最新進展[J].分析化學，2019，47（6）：10-19.

[3]章維一，侯麗雅. 微流體數字化的科學與技術問題（Ⅰ）：概念、方法和效果[J]. 科技導報，2005，23（8）：4-9.

[4]李宗安. 基于數字化液滴微噴射的微流控芯片[D]. 南京：南京理工大學，2015.

[5]謝莉鳳.以電磁鐵為作動器的微流體數字化驅動系統實驗研究[D].南京：南京理工大學，2009.

[6]姜德航，朱麗.基于同軸式組合微噴嘴的蝦卵細胞微膠囊封存[J].微納電子技術，2018（12）：902-909.