基于3D打印的微混合器芯片用于研究单元连接对混合性能的影响

被动式微混合器，是一种用于样品预处理的关键微流控器件。常见的两种微混合器有两个入口呈现180°的T型微混合器和呈现任意角度(通常小于180°)的Y型微混合器。这两类混合器结构简单、易于制备，但是混合时间比较长、混合效率比较低，很少单独使用，通常同另一种微混合器一起使用。为了提高微混合器的混合效率，科研工作者尝试进行微混合器入口、混合腔室结构的优化设计研究。在混合腔室的结构设计方面，常见的设计方案是在微通道中周期性的添加障碍物；另外，弧形微通道的引入、分流合并结构的设计以及微通道底部交错结构的设计等方案也极大地提高了混合效率。上述混合腔室的设计方案具有一个共同特点，即采用周期性重复混合单元结构提高混合效率。其中，两个混合单元的连接处既是前一个单元的出口，同时也是下一个单元的入口。然而，在设计过程中，关于单元连接的研究并没有得到重视。

近日，沈阳工业大学张贺课题组基于面投影微立体光刻(PμSL) 3D打印技术制备了微混合器芯片，通过模拟结果与测试结果的对比，研究了单元连接对微混合器芯片性能的影响。该团队基于PμSL (nanoArch P150，摩方精密) 技术打印了一种具有重复结构的微混合器。微混合器是由平面T型入口通道和混合腔室组成，其中混合腔室是由6个立方混合单元以及单元之间的连接组成。最初设计的结构是一种研究中常见的微混合器结构，连接通道位于立方混合单元的几何中心，且微混合器的入口和出口位置同立方混合单元的连接通道位置重合。微混合器总长度为12.3mm；立方混合单元的边长是1mm；单元连接通道的长度是500μm，截面是边长为200μm的正方形。

图1. 最初设计的具有重复结构的微混合器

图2.具有不同连接位置的微混合器的混合指数

(模拟结果)

图3.两种不同连接位置组合的微混合器的混合指数

(模拟结果)

图4. 可视化测试系统以及3D打印的微混合器的显微图像

(Location 5)

图5. 3D打印的两种不同连接位置组合的微混合器在不同时间的显微图像

根据单元连接位置的不同分为九种微混合器，分别命名为Location 1- Location 9；该九种微混合器的混合指数模拟结果表明单元连接位置对微混合器的混合性能有显著的影响。在此基础上，将两种不同单元连接位置进行组合，用以提高混合器的混合效率。基于PμSL 技术制备了三种微混合器并进行了可视化测试。测试结果同模拟结果一致，表明单元连接位置对微混合器的性能确实有显著的影响，并且仅通过改变单元连接的位置，可以极大地改善微混合器的性能。该研究成果为优化微混合器的结构设计、提高微混合器的性能提供了新思路，以“The Influence of the Unit Junction on the Performance of a Repetitive Structure Micromixer"为题发表在Micromachines上。