CN109622084A - 可重构的微流控芯片结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可重构的微流控芯片结构,在魔方的角块和棱块内设置有微流控芯片，通过角块与棱块的组合连接而成：角块内部有管路,包括三种微流孔通道：入口/出口块、转弯块和T型接口块；棱块内部有管路，包括三种微流孔通道:直槽、螺旋槽或腔室。本发明所述入口/出口嵌入硅胶O型环。本发明的微流控芯片组合，具有组合方式多变，组合简单等优点，能够实现微流控芯片组合的快速配置。

Description

可重构的微流控芯片结构
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种可重构的微流控芯片结构。
背景技术
微流控芯片是指用尺度在微米尺度的微小管道操纵流体的装置。由于其具有节约试剂、反应速度快的特点，微流控芯片已经在化学、生物学、医学、材料科学等领域取得了广泛的应用。目前微流控芯片的主要形式是一体成型的微流控芯片，其具有芯片结构一经加工就不可更改，且设计、加工周期长的缺点，给微流控芯片的应用设置了障碍。因此，亟需一种能够快速自由组装的微流控芯片。
为了解决上述问题，模块化微流体应运而生。模块化微流体是指，将微流控芯片设计成具有不同功能的模块，使用时可根据需要自由组合所需模块构成实用化的微流体系统。现有的模块化微流控芯片有类似乐高积木和类似拼图的微流控芯片等。利用模块化微流体，可以实现微流控芯片的快速现场配置。然而，模块化微流控芯片由于需要组合不同独立的微流控芯片，因此具有耐压性差，易漏液的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能自由改变组合方式的可重构的微流控芯片结构。
本发明所采用的技术方案是：可重构的微流控芯片结构,在魔方的角块和棱块内设置有微流控芯片，通过角块与棱块的组合连接而成：
角块内部有管路,包括三种微流孔通道：入口/出口块、转弯块和T型接口块；
棱块内部有管路，包括三种微流孔通道:直槽、螺旋槽或腔室。
本发明至少包括微流体混合器,所述微流体混合器采用7个立方体块:3个入口/出口块，1个T型接口块，2个直槽和1个螺旋槽；
2个入口块各通过2个直槽汇合于T型接口块,T型接口块连接螺旋槽,所述螺旋槽连接出口块。
本发明至少包括微流体液滴发生器,所述微流体液滴发生器采用7个立方体块:3入口/出口块、1个T型接口块、2个直槽和1个腔室；
2个入口块各通过2个直槽汇合于T型接口块，T型接口块连接腔室，所述腔室连接出口块。
本发明所述入口/出口嵌入硅胶O型环。
有益效果
1.本发明的微流控芯片组合，具有组合方式多变，组合简单等优点，能够实现微流控芯片组合的快速配置。有望用于各种微流控芯片应用场合，如临床诊断，药物筛查等。
2.本发明提出了两种类似魔方零件的微流控芯片。通过将微流控芯片设计成类似魔方零件的形式，能够实现微流控芯片间的自由组合。同时，该微流控芯片可以利用魔方的机械结构实现微流控芯片间的相互紧密贴合，克服了模块化微流体具有的耐压性差、易漏液的缺点
附图说明
图1a：魔方状微流体系统完整视图
b：棱块的三种微流孔通道:其中左边为直槽，中间为螺旋槽，右边为腔室；
c：角块：其中左边为入口/出口(3个)，中间为转弯块，右边为T型接口块；
d：中心块与中心轴连接结构的爆炸图。
图2为将特定的棱/角块旋转到所需的位置的位置示意图
a：更换流体路径中的棱块的这种变化的算法是:M，D，MS，；
b：取代角块在流体路径中。这个的算法变化:RDR，。
图3为配置功能性微流体
a：微流控混合器由入口/出口、通道、连接和螺旋组成块；
其中插图(右)为放大前的染料溶液流动图像进入(上)和离开(下)螺旋通道块；
b：水珠油发生器由入口/出口，通道，连接和腔室；
其中插图为放大的图像的T型接口块(上)和腔室(下跌)。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。
可重构的微流控芯片结构,在魔方的角块和棱块内设置有微流控芯片，通过角块与棱块的组合连接而成：角块内部有管路,包括三种微流孔通道：入口/出口、转弯块和T型接口块；棱块内部有管路，包括三种微流孔通道:直槽、螺旋槽或腔室。
本发明至少包括微流体混合器,所述微流体混合器采用7个立方体块:3个入口/出口块，1个T型接口块，2个直槽和1个螺旋槽。
本发明至少包括微流体液滴发生器,所述微流体液滴发生器采用7个立方体块:3入口/出口块、1个T型接口块、2个直槽和1个腔室。
本发明所述入口/出口嵌入硅胶O型环。
图1a显示了新提出的魔方状微流体系统局部分解视图。它只是看起来像一个普通的魔方，但所有将12个棱块和8个角块替换为内部有微通道的块。棱块(EdgeBlock)被设计成通道和腔室来执行微流控功能，而角块(Corner Block)为主要用作连接以及入口/出口。中心块(Central Block)立方体的每一面都没有微流体，但对于保持结构的完整性至关重要。图1b和1c来分别使用棱块和角块说明微流控芯片。每个棱块和角块都是一个独立的微流控芯片，其入口/出口位于在曲面的几何中心。所有这些块是3D打印使用桌面立体石版(SLA)打印机。材料为透明树脂易于观察。另外，两个硅橡胶o形环嵌入在每个棱块中。图1d显示的是一个中心块是如何固定于中心轴的爆炸视图。除了3D打印的核心和中心块，弹簧和螺丝是用来推动中心块到核心。所有块组装好后，联锁机构的作用下弹簧对中心块的推力将被分散到所有块中，确保系统集成同时允许立方体表面的平滑旋转。
在大多数情况下定位相邻块的接触面它们不能完美地相互配合，泄漏就会发生。处理泄漏问题，采用o型环辅助密封策略。
微流体的重构通过转动立方体的面是可以实现的。确定转盘的面、方向和顺序，实现理想的微流体系统可以通过遵循Rubik的算法来实现的。Rubik的算法是通过一组记忆的动作在立方体上实现特定效果。动作顺序的算法，通常表示为所谓的Singmaster表示法，大写字母代表每一个动作。在定制的微流体芯片时，采用期望效果的算法，用一个块替换另一个块而得到。例如，图3a显示了：保持在流体回路中的其他块不变，用另一个棱块替换一个棱块(EdgeBlock)的过程流体电路。这个过程可以用4个步骤的算法来完成。类似地，图3b显示了：3个步骤，在保持所需的块不变时用一个角块(CornerBlock)替换另一个角块(CornerBlock)。在算法的帮助下，我们可以指定块的位置来创建微流控芯片系统。
我们知道了大部分的微流体我们可以通过旋转立方体来实现组合想知道需要走多少步转换到自定义状态。2010年，Rokicki等人证明了这一点即恢复任何一个所需的最大移动数魔方的排列，所谓的上帝的数字是20。这也意味着魔方从任意状态到的变换另一种方法在使用时最多只需要20步一个优化算法。这个结论也适用微流体立方体:如果我们想从一个完全无序的状态配置特定的微流体系统，总共20步应该足够了。与借助高度发达的计算能力，发现优化的算法可以用电脑程序计算出。
图3a显示配置为微流控的微流体混合器，采用7个立方体块:3个入口/出口块，T型接口块，2个直槽和一个螺旋槽。当蓝色和黄色染料溶液都是从入口注入，两个流汇合在T型接口块，由于层流它们之间有明显的边界。当流过一条狭窄的螺旋槽后，两股染料的边界消失，液体呈均匀的绿色，表示有两种染料已完全扩散到混合物中。
图3b显示配置为液滴的微流体发生器。此配置还使用了7个块:3入口/出口块、T型接口块、2个直槽和一个腔室。在演示图中，水里的油液滴在T型接口块中生成，然后收集于腔室内观察及进一步观察操作,比如孵化。该液滴发生器可用于高通量的大量的平行反应，例如数字核酸扩增和细胞筛选。
总之，我们提出了一种新可重构微流体系统。特别设计的内部有微观结构的边缘和角块可实现柔性装配不同的微流体块，只需通过扭转立方体的面。在每一次扭转之后，所有的方块都是自对准和密封。此外，用户可以设计和在此指导下实现多功能微流体功能的魔方算法。作为概念的证明，我们使用3d打印成功创建了建议的多维数据集块，并将其配置为功能微流体系统例如混合器和液滴发生器的技术。微流体系统具有良好的可重构性和鲁棒性，因此适用于需要快速现场部署的应用，如POCT。微流控芯片可以通过3D打印加工。
实施例：
通过3D打印加工8个角块微流控芯片、12个棱块微流控芯片，以及1个魔方中心轴，6个面中心块。将上述物件组装，形成魔方式微流控芯片组合。通过旋转魔方，可以获得不同的连通的微流体管路的组合。如混合器、液滴生成器等。
本发明公开和揭示的所有组合可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。

Claims (4)

1.可重构的微流控芯片结构,其特征在于,在魔方的角块和棱块内设置有微流控芯片，通过角块与棱块的组合连接而成：
角块内部有管路,包括三种微流孔通道：入口/出口块、转弯块和T型接口块；
棱块内部有管路，包括三种微流孔通道:直槽、螺旋槽或腔室。
2.根据权利要求1所述的可重构的微流控芯片结构,其特征在于,至少包括微流体混合器,所述微流体混合器采用7个立方体块:3个入口/出口块，1个T型接口块，2个直槽和1个螺旋槽；
2个入口块各通过2个直槽汇合于T型接口块,T型接口块连接螺旋槽,所述螺旋槽连接出口块。
3.根据权利要求1所述的可重构的微流控芯片结构,其特征在于,至少包括微流体液滴发生器,所述微流体液滴发生器采用7个立方体块:3入口/出口块、1个T型接口块、2个直槽和1个腔室；
2个入口块各通过2个直槽汇合于T型接口块，T型接口块连接腔室，所述腔室连接出口块。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可重构的微流控芯片结构,其特征在于,所述入口/出口嵌入硅胶O型环。
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