基于磁性连接的自密封模块化PDMS微流控系统设计实现

由于微流控芯片的广泛应用，用于开发、测试、原型设计及设计理念的工具已经变得至关重要。目前，先进的制造技术，例如热压印、注塑成型、激光烧蚀、3D打印和聚焦离子束加工的发展，使得高质量微流控芯片的制造成为可能。然而，利用以上技术方法制造获得的微流控芯片较难根据用户的需求实现自适应和自调整。

模块化系统的最大优点在于各个模块的可复用性和可替换性。目前，对于常用的微流控单芯片而言，其组件在微流控网络成功构建后是无法被替换的，但是模块化微流控系统可以通过将微流控网络拆分为分散在不同模块中的不同组件来实现组件的替换和重新排列。在需要一次性组件的应用领域（例如出于卫生原因）中，生物、化学、医药、食品公司、科学研究和教学等只是可以从这种模块化微流控系统中受益的众多领域中的一小部分。然而，模块化方法的一个普遍缺点是需要在各个模块之间建立密封性好的连接。虽然外形贴合的结构设计足以实现各个微流控模块在低压状态下的密封连接，但其制造过程必须使用玻璃管、O形圈或底板等附加组件。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自奥地利林茨大学（Johannes Kepler University Linz）的研究人员提出了一种便捷且可靠的连接技术，该技术基于磁体和浇注型O形圈结构，无需额外的密封材料即可实现密封连接。该研究设计的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基模块化微流控系统使用聚氨酯（PU）模具、3D打印的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）通道结构和具有浇注型O型圈的磁性连接系统，并且利用了各种集成技术。在该研究中，研究人员着重对定向阀、往复泵、指状泵、直铸止回阀和特斯拉阀、流体流量传感器、流体混合器、商用阀和各种传感器的实现进行了研究，并且通过不同的测试装置验证了这些器件的可行性。此外，研究人员还对制造过程中遇到的限制和问题以及未来的工作方向进行了讨论。相关研究成果以“A Self-Sealing Modular Microfluidic System Using PDMS Blocks With MagneticConnections”为题发表在IEEE Xplore期刊上。

具体而言，为了实现两个任意微流控模块（MMB）的简单和灵活连接，该研究使用了一种基于钕永磁体的连接系统，该系统可以直接集成到微流控模块中。其中非常重要的是，磁体需要以合适的对准方式粘接在微流控模块上。图1a显示了与每个磁体相关联的磁矩的方向。通过这种磁体的排列，可以将任意微流控模块的每个连接接口与其它连接接口连接起来。如果微流控模块的两个连接接口彼此处于近场，则磁力会使接口自动对准，从而使微流控模块牢固地连接在一起。此外，由于使用浇注工艺，在每个连接接口处的O形圈结构在芯片表面会呈现微小的凸起（图1）。在各个微流控模块成功连接后，由于吸引磁体施加的磁力作用，两个O形圈结构被压在一起（图1b），并构建一个密封接口。由于微流控通道总是起始或者终止于O形圈结构的中心部位，因此两个连接的微流控模块的通道之间建立了密封连接。此外，由于PDMS的透明性，可以观察到两个连接的微流控模块的密封接口（图1c ~ 1d）。

图1 基于钕永磁体的连接系统的原理

接着，研究人员对构建的各种微流控模块的可用性进行了测试。测试结果表明，该研究设计的磁性连接系统具有自密封和自对准特性，可以轻松连接和断开微流控模块，同时在约175 kPa的高压下保持密封。此外，各种不同微流控模块的制造演示以及所呈现的结果和制造更多其它类型微流控模块的可能性，证明了该方法可广泛应用于各个领域的潜力。

图2 仅使用可连接微流控模块构建的模块化微流控网络

图3 制造的微流控混合器和阀模块

 

图4 压力传感器和流量传感器微流控模块

 

图5 隔膜泵微流控模块

综上所述，该研究介绍了一种低成本制造PDMS微流控模块及所需的PU模具的工艺。该工艺方法使用3D打印的ABS通道结构，并且可以集成商用器件，因此能够实现不同潜在微流控模块制造的巨大的灵活性和多样性。

未来，相关研究工作将集中在制造和集成更多的传感器，例如光学传感器。此外，为了使用当前的制造工艺缩小微流控系统的尺寸，需要一台能够打印可溶解聚合物的高分辨率3D打印机。但是，据报道，目前还没有这样的打印机。另一种选择可能性是使用传统的SU-8光刻工艺来构建微米级尺寸的通道。为此，有必要浇注在其中心（微流控通道的位置）具有长方体镂空结构的PDMS微流控模块。因此，必须使用SU-8光刻等高精度技术来构建底部具有所需通道结构的长方体，然后使用氧等离子体处理工艺将其以通道结构侧向下的方向键合到微流控模块中。

审核编辑：刘清