微流控鱼骨芯片

微流控鱼骨芯片（Herringbone Chip）是一种基于微流控技术的生物芯片设计，其核心结构灵感来源于鱼骨的周期性沟槽排列，主要用于增强流体混合、细胞操控或颗粒排列等应用。以下是其设计特点和工作原理的详细解析：

1. 设计特点

• 鱼骨形微沟槽结构：
  芯片通道内壁设计有周期性排列的V形或锯齿形微沟槽（类似鱼骨），通常对称分布在通道两侧。沟槽的几何参数（如角度、深度、间距）直接影响流体动力学行为。

• 多层结构：
  通常由聚二甲基硅氧烷（PDMS）或玻璃制成，通过软光刻技术或微加工工艺制造，上下层键合形成封闭通道。

• 通道尺寸：
  微米级通道宽度（几十到几百微米），沟槽深度通常为通道高度的10%~30%。

2. 工作原理

流体混合增强

• 层流扰动：
  在微流控芯片中，流体通常处于层流状态（雷诺数低，Re < 1），分子扩散主导混合，效率较低。鱼骨沟槽通过周期性扰动流场，诱导横向流动（涡流），打破层流界面，增强对流混合。

• Dean涡流效应：
  当流体流经沟槽时，因通道截面变化产生离心力，形成旋转涡流（Dean涡），促进不同流层间的物质交换。

细胞/颗粒操控

• 惯性聚焦与排列：
  在特定流速下，颗粒或细胞受惯性升力（剪切梯度升力、壁面效应升力）和沟槽结构共同作用，被引导至通道特定位置，实现有序排列或分离（如肿瘤细胞分选）。

3. 关键参数

• 沟槽角度：通常为30°~60°，影响涡流强度和方向。

• 沟槽间距：决定扰动频率，间距越小，混合效率越高。

• 流速：需平衡混合效果与压降（流速过高可能导致细胞损伤）。

• 通道截面形状：矩形或半圆形通道对涡流模式有不同影响。

4. 应用场景

• 生物医学研究：

  • 细胞共培养与3D组织模型构建（如肿瘤微环境模拟）。

  • 高通量药物筛选（增强药物与细胞相互作用）。

  • 单细胞分析（通过有序排列提高检测效率）。

• 纳米材料合成：
  通过精确混合控制纳米颗粒的成核与生长。

• 诊断技术：
  用于血液中稀有细胞（如循环肿瘤细胞）的捕获与检测。

5. 优势与挑战

• 优势：

  • 无需外部能量输入（被动混合），结构简单。

  • 混合效率高，适用于低雷诺数场景。

  • 兼容多种生物样本（细胞、蛋白质、DNA）。

• 挑战：

  • 设计优化依赖数值模拟（如COMSOL、ANSYS）。

  • 高流速下可能产生较大压降，需平衡通量与混合效果。

  • 制造精度要求高，沟槽结构易受加工误差影响。

6. 设计流程示例

1. 需求分析：确定目标（混合、分选、排列）和样本类型。

2. 数值模拟：通过CFD（计算流体力学）优化沟槽参数。

3. 掩模制备：光刻技术制作母版。

4. 芯片加工：PDMS浇注、固化、氧等离子体键合。

5. 实验验证：荧光染料或颗粒测试混合效率。

总结

微流控鱼骨芯片通过巧妙的几何设计将被动混合与流体操控结合，在生物医学和化学分析中展现出独特优势。其核心在于通过结构诱导的涡流打破微尺度下的扩散限制，未来发展方向包括多物理场耦合（如电场、声场）和智能化集成设计。