基于微流体脉冲驱动—控制技术的微液滴制备改进方法研究

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　　摘 要
　　微液滴在医学、化学、生物学等领域有着广泛的应用，微液滴的制备方法也日新月异。本文基于微流体脉冲驱动-控制技术，搭建了一种结构简单、成本低廉的微液滴制备改进系统，并进行了蒸馏水液滴及海藻酸钠微胶囊制备实验。实验结果表明该改进系统能够实现微液滴的稳定制备，且制备的液滴粒径均一，单分散性良好。
　　关键词
　　微流体脉冲驱动-控制技术;COMSOL Multiphysics;电磁铁
　　中图分类号： TN402                    文献标识码： 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
　　微液滴具有体积小、比表面积大、体系封闭、内部稳定等特性[1]，在催化剂、药物控释、单细胞封存与培养等领域有着重要的应用，微液滴制备技术也因此在近几十年间不断更新和发展。从高速搅拌法、膜乳化等传统的制备微液滴的方法，到通过制备微流控芯片获得微液滴，再到近几年发展起来的片外制备方法，微液滴的生成越来越高效可控。片外制备微液滴兼具了传统制备方法和微流控芯片的一些特点，并且在节约成本、微液滴高通量生成及精确控制等方面更具优势[2]。
　　本文在微流体脉冲驱动控制技术的基础上，结合仿真分析，对实验室原有系统进行改进，搭建了一种结构简单、成本低廉的新系统，该系统能够实现微液滴的稳定制备，并且制备的微液滴单分散性良好。
　　1 背景技术
　　微流体脉冲驱动-控制技术[3]的实质是：通过人为地产生和运用可预测、可控制的小幅脉动形态流动，形成自然合理的间歇急变运动形态，解决了微流体系统中易陷入流动不正常状态的问题。
　　基于微流体脉冲驱动-控制技术的原理装置由驱动器和含有微流道的流路本体两部分组成。微流道固壁在脉冲驱动力的驱动下，沿其纵向作加速度绝对值变化的运动，通过流体相对于固壁的纵向惯性力与流体本身黏性力之间相对大小的变化，影响流体的流动。所述驱动器既可置于流道外部，也可置于所述流路本体外部，因此，可以选用较大尺寸的驱动器来提供大的驱动力，以保证微流路本体及其流道固壁能够获得绝对值足够大的加速度。所述驱动器的驱动参数种类繁多，如波形、频率、幅值等，因此易于实现预期的控制效果。此外，整体装置结构简单，可抗固粒堵塞，生产率、可靠性高;对粉体、液体均适用，流动分辨率可達飞升级;并且工作环境友好，可用于细胞注射等间歇作业。
　　2 微流体脉冲驱动-控制实验系统改进方案
　　2.1 原有系统
　　实验室已有的微液滴制备系统如图1所示，系统由计算机、微液滴打印头、堆栈式压电陶瓷驱动器及其控制系统组成。堆栈式压电陶瓷有灵敏度高、动态响应特性良好，可产生较大的驱动力等优势。但是外加工率电源对压电驱动器件的精度以及分辨率有一定的影响，国内市场中的功率电源大多功耗较大且性能不稳定，进口电源在国内呈垄断状态，价格昂贵[4]，因此需要一种更高性价比且更稳定的驱动器来提供脉冲驱动力。
　　2.2 改进系统
　　2.2.1 驱动器的选择
　　近年来，随着控制技术的发展，电磁铁在磁悬浮、精密运动控制等领域取得了很大的突破。电磁铁的体积小巧，易于微型化;与堆栈式压电陶瓷相比，控制电路简单，成本低廉;且电磁铁具有大的输出力，能够满足对脉冲驱动力的要求[5]。
　　2.2.2 改进系统的搭建
　　改进的微液滴制备系统如图2所示，整个系统由电磁铁驱动器、单片机、稳压电源、和微喷嘴组成。微喷嘴与电磁铁铁芯连接固定，随着电磁铁铁芯的周期性伸缩运动实现液滴的连续喷射。驱动力的大小调节可以通过：（1）通过调节稳压电源，改变施加于电磁铁两端的驱动电压;（2）通过控制电路改变电磁铁的运动频率。
　　3 改进系统制备微液滴仿真分析
　　COMSOL Multiphysics是一款操作简单、计算精度高、功能强大的多物理场建模仿真软件。本文基于COMSOL Multiphysics，以微喷嘴内流体流动区域及其外部空气域为研究对象，对以电磁铁为驱动器的改进微液滴制备系统制备微液滴的过程进行模拟仿真[6]。 　　选择添加“流体流动”物理场下的“层流两相流，水平集”进行研究，并绘制如图3所示的二维轴对称模型，具体模型参数见表1。
　　绘制好的模型基础上，采用自由三角形网格对其进行网格划分，网格划分结果如图4所示。接着，设置求解区域边界（目标边界设置为“润湿壁”条件，其他边界设置为“无滑移”条件）并添加平滑矩形脉冲函数来近似模拟脉冲驱动-控制过程。模型中喷嘴内流体材料设置为海藻酸钠溶液，空气域流体材料设置为空气，具体参数值见表2。
　　经求解计算后，得到如上图5所示的不同时刻海藻酸钠液滴的形态和速度场。从图中可以看出，微液滴的生成过程经历了五个阶段，即生成阶段、伸长阶段、颈缩阶段、断裂阶段以及成滴阶段。
　　当海藻酸钠溶液由喷嘴口喷出时，喷嘴内海藻酸钠溶液对喷嘴前端空气造成冲击，产生一个速度较高的空气域;随着脉冲函数的不断驱动，海藻酸钠溶液持续流出并在喷嘴前端形成微液柱，在空气阻力和表面张力的作用下，微液柱前端表面收缩成圆形;当液柱伸长至一定长度时，在喷嘴管壁摩擦力和表面张力的作用下，发生“颈缩”现象[4]，此时整体流速呈前高后低分布;在这种速度分布差异的影响下，液柱越拉越长，颈部越来越细，最终断裂形成海藻酸钠微液滴。可以看出，改进系统同样可以稳定的制备微液滴。
　　4 实验结果
　　使用改进系统，在内径100μm的微喷嘴内注入蒸馏水，进行蒸馏水液滴喷射实验，得到如图6所示的液滴图片。所制备的蒸馏水液滴粒径均一，单分散性良好。
　　在微喷嘴内注入浓度为3%的海藻酸钠溶液，喷入饱和氯化钙溶液中，得到如图7所示的海藻酸钠微胶囊。改变施加于电磁铁两端的驱动电压，保持微喷嘴内径100μm不变，得到如图8所示的结果，可以看出，随着驱动电压的增加，制备的海藻酸钠微胶囊的直径也随之增大。
　　5 结论
　　与基于堆栈式压电陶瓷进行驱动的微液滴制备系统相比，改进系统结构更为简单，成本更为低廉。既不需要对性能要求较高的功率电源，也不需要结构复杂的微液滴打印头，只需稳压电源和单片机即可实现对电磁铁的驱动和控制。
　　使用改进系统进行微液滴制备实验，结果表明：改进系统可以实现微液滴的稳定制备，所制备的微液滴粒径均一，单分散性良好，并且随着施加驱动电压的增加，制备液滴的粒径也随之增大。此外，该系统能够喷射黏度较大的海藻酸钠溶液，并制備海藻酸钠微胶囊，在生物医学方面有一定的应用价值。
　　参考文献
　　[1]刘赵淼，杨洋，杜宇，等.微流控液滴技术及其应用的研究进展[J].分析化学，2017，45（2）：282-296.
　　[2]魏玉瑶，孙子乔，任昊慧，等.微液滴生成方法的最新进展[J].分析化学，2019，47（6）：10-19.
　　[3]章维一，侯丽雅. 微流体数字化的科学与技术问题（Ⅰ）：概念、方法和效果[J]. 科技导报，2005，23（8）：4-9.
　　[4]李宗安. 基于数字化液滴微喷射的微流控芯片[D]. 南京：南京理工大学，2015.
　　[5]谢莉凤.以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统实验研究[D].南京：南京理工大学，2009.
　　[6]姜德航，朱丽.基于同轴式组合微喷嘴的虾卵细胞微胶囊封存[J].微纳电子技术，2018（12）：902-909.
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