CN113289700B - 疏密梯度微结构、疏密梯度微结构的制备方法及磁控开关 - Google Patents

疏密梯度微结构、疏密梯度微结构的制备方法及磁控开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种疏密梯度微结构、疏密梯度微结构的制备方法及磁控开关，涉及微流控技术领域，包括基体，所述基体上设置有若干阵列区域，各所述阵列区域包括若干均布的微柱，不同的所述阵列区域的所述微柱的间距由所述基体的一端向所述基体的另一端依次增大，所述微柱均具有磁性。本发明的疏密梯度微结构的微柱按照一定规则形成疏密的阵列区域，微柱可以在外部磁场的条件下定向偏转。通过控制磁场的强弱，可以控制微柱的偏转角度，继而控制液膜铺展方向，由此可以实现液体的定向调控。本发明可以实现微流控领域的液体铺展方向实时调控，为微流控、药物定向筛选、以及微流控芯片的设计提供新思路。

Description

疏密梯度微结构、疏密梯度微结构的制备方法及磁控开关
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别是涉及一种疏密梯度微结构、疏密梯度微结构的制备方法及磁控开关。
背景技术
液体铺展定向调控研究在物理化学、生物医药等微流控领域具有重要意义。近年来对液体定向调控手段主要包括表面微结构及外部场控两方面，其中表面微结构实现液体定向调控手段包括梯度微流体通道(公开号为CN111359683A的中国专利公开了一种无动力液滴输运的梯度微流体通道及其制备方法)、无泵超疏液涂层(公开号为CN110898865A的中国专利公开了一种新型通用无泵定向输运液体表面及其制备方法)、微多级结构(公开号为CN110052299A的中国专利公开了一种用于微流控芯片预设层的阵列结构)以及浸润梯度表面(公开号为CN107482953A的中国专利公开了一种基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置及制备方法)等，外部场控手段包括对磁性液滴调控(公开号为CN208944125U的中国专利公开了一种以磁性液滴为媒介定向输运液滴的装置)、溶液电渗流循环往复定向运动(公开号为CN103071554A的中国专利公开了一种循环往复驱动溶液的微流控芯片及其制备方法)、光控微流开关(公开号为CN108152945A的中国专利公开了一种基于微流控的光开关、公开号为公开号为CN101187718A中国专利公开了一种电控光开关阵列微流控芯片的制作方法、公开号为CN209055691U的中国专利公开了一种1×5微流控光开关)以及磁响应微肋阵列液滴定向操控等。
现有技术对于实现液体定向输送具有装置结构复杂、实时调控能力较弱等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种疏密梯度微结构、疏密梯度微结构的制备方法及磁控开关，结构简单，通过外部磁场的开关可实现液体实时定向输送。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种疏密梯度微结构，包括基体，所述基体上设置有若干阵列区域，各所述阵列区域包括若干均布的微柱，不同的所述阵列区域的所述微柱的间距由所述基体的一端向所述基体的另一端依次增大，所述微柱均具有磁性。
优选地，所述微柱的形状为锥形、圆柱或棱柱。
优选地，同一所述阵列区域的所述微柱的间距相同。
优选地，相邻的所述阵列区域的所述微柱的间距的梯度差值相同。
本发明还提供了一种所述疏密梯度微结构的制备方法，包括以下步骤：
S1：采用与微柱形状相同的模具在基板上进行逐点制孔，制孔的间距与所述疏密梯度微结构的所述微柱的间距相同；
S2：对制得的孔进行抽真空，并向制得的孔内浇注带有磁性粒子的混合溶液；
S3：再次抽真空，刮去多余的带有所述磁性粒子的所述混合溶液，继续向所述基板上浇注所述混合溶液，形成基体；
S4：将经过S3的所述基板置于恒温箱中进行固化，然后冷冻、脱模，得到所述疏密梯度微结构；
S5：清洗并吹干；
S6：将所述疏密梯度微结构置于均匀磁场中，进行磁化定向。
优选地，所述混合溶液与所述磁性粒子的质量比为5:1，所述混合溶液包括预聚物和固化剂，所述预聚物为聚二甲基硅氧烷，所述预聚物和所述固化剂的质量比为10:1。
优选地，S4中，将经过S3的所述基板置于恒温箱中55℃固化24小时，取出后置于-50℃的冰箱中冷冻10分钟，之后取出进行脱模处理。
优选地，S5中，将所述疏密梯度微结构依次置于正己烷、丙酮和无水乙醇中进行超声清洗，取出后用氮气吹干。
优选地，S6中，将所述疏密梯度微结构置于均匀磁场中时，所述疏密梯度微结构的所述微柱的自由端朝向S极，所述微柱的固定在所述基体的一端朝向N极。
本发明还提供了一种磁控开关，包括所述疏密梯度微结构，所述疏密梯度微结构位于微流道中，所述微流道位于磁场中，所述微流道的中部设置有进口，所述微流道的一端为第一出口，所述微流道的另一端为第二出口，所述疏密梯度微结构的基体的一端与所述第一出口对应，所述基体的另一端与所述第二出口对应。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的疏密梯度微结构的微柱按照一定规则形成疏密的阵列区域，微柱可以在外部磁场的条件下定向偏转。当无外部磁场时，疏密梯度微结构可以实现液体由疏到密的定向铺展；当有外部磁场时，并且使得微柱由疏端向密端偏转时，液体铺展速度显著增加，并且反向截止效应明显，表现出强化的液体定向铺展；当有外部磁场时，并且使得微柱由密端向疏端偏转时，液体向相反方向铺展。通过控制磁场的强弱，可以控制微柱的偏转角度，继而控制液膜铺展方向，由此可以实现液体的定向调控。本发明可以实现微流控领域的液体铺展方向实时调控，为微流控、药物定向筛选、以及微流控芯片的设计提供新思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的疏密梯度微结构示意图；
图2为本发明的疏密梯度微结构的制备方法流程图；
图3为本发明的疏密梯度微结构磁化定向示意图；
图4为本发明的磁性粒子扫描电子显微镜图；
图5为本发明的磁控开关示意图；
图6为本发明的微柱在磁场中偏转原理示意图；
图7为本发明的微柱在磁场中偏转示意图；
图8为本发明的微柱的偏转角度与磁场强度曲线图；
图9a为本发明的微柱在磁场中竖直状态图(磁场强度为0mT)；
图9b为本发明的微柱在磁场中左偏状态图(磁场强度为-243mT)；
图9c为本发明的微柱在磁场中右偏状态图(磁场强度为243mT)；
图10a为本发明的液体在疏密梯度微结构铺展过程图(磁场强度为0mT，液体向密端铺展)；
图10b为本发明的液体在疏密梯度微结构铺展过程图(磁场强度为-243mT，液体向左侧疏端铺展)；
图10c为本发明的液体在疏密梯度微结构铺展过程图(磁场强度为243mT，液体向右侧密端加速铺展)；
其中：100-疏密梯度微结构，200-磁控开关，1-基体，2-微柱，3-基板，4-模具，5-磁性粒子，6-混合溶液，7-微流道，8-进口，9-第一出口，10-第二出口，11-毛细玻璃管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种疏密梯度微结构、疏密梯度微结构的制备方法及磁控开关，结构简单，通过外部磁场的开关可实现液体实时定向输送。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示：本实施例提供了一种疏密梯度微结构100，包括基体1，基体1上设置有若干阵列区域，各阵列区域包括若干均布的微柱2，不同的阵列区域的微柱2的间距由基体1的一端向基体1的另一端依次增大，微柱2均具有磁性。
本实施例中，微柱2的形状为锥形、圆柱或棱柱。
本实施例中，基体1的宽度为5～10mm，基体1的长度为30～50mm，同一阵列区域的微柱2的间距相同，微柱2的间距d为150～550μm。相邻的阵列区域的微柱2的间距的梯度差值相同，梯度差值Δ为10μm。例如，一个阵列区域的微柱2的间距为150μm，相邻的阵列区域的微柱2的间距为160μm。
本实施例中，阵列区域的面积可以根据需要进行调整，通过调节梯度差值Δ与微柱2的列数n即可实现疏密梯度微结构100整体的长度调整，继而可以实现液体长距离的定向输送。
本实施例中，基体1上的微柱2排列较密的一端为密端，基体1上的微柱2排列较疏的一端为疏端。
本实施例的疏密梯度微结构100具有液体由疏向密定向铺展的功能，将疏密梯度微结构100置于磁场中，由于微柱2具有磁性，当添加磁场驱动微柱2向密端偏转时，可以增强液体由疏向密定向铺展；当磁场反向时，可以实现液体向相反方向铺展。
实施例二
如图2-图4所示：本实施例提供了一种实施例一的疏密梯度微结构100的制备方法，包括以下步骤：
S1：采用与微柱2形状相同的模具4在基板3上进行逐点制孔，制孔的间距与疏密梯度微结构100的微柱2的间距相同，具体地，本实施例采用锥形的模具4，锥尖角度为15°，模具4为钢针，基板3为石蜡板，制得的锥孔的深度在100～500μm之间；
S2：对制得的孔进行抽真空，并向制得的孔内浇注带有磁性粒子5的混合溶液6；
S3：再次抽真空，刮去多余的带有磁性粒子5的混合溶液6，继续向基板3上浇注混合溶液6，形成基体1，保证再次浇注的平均厚度在2～3mm之间，由于浇注的材料可以是柔性材料，因此厚度为2～3mm时同时兼具柔性特征；
S4：将经过S3的基板3置于恒温箱中进行固化，然后冷冻、脱模，得到疏密梯度微结构100，具体地，将经过S3的基板3置于恒温箱中55℃固化24小时，确保带有磁性粒子5的混合溶液6充分固化，取出后置于-50℃的冰箱中冷冻10分钟，之后取出，待尚未完全恢复到常温时进行脱模处理；
S5：清洗并吹干，具体地，将疏密梯度微结构100依次置于正己烷、丙酮和无水乙醇中分别进行超声清洗30分钟、10分钟、10分钟，去除表层残留的石蜡，取出后用氮气吹干；
S6：将疏密梯度微结构100置于均匀磁场中，进行磁化定向。
本实施例中，混合溶液6与磁性粒子5的质量比为5:1，混合溶液6包括预聚物和固化剂，预聚物为聚二甲基硅氧烷，预聚物和固化剂的质量比为10:1，磁性粒子5为纳米铁粉、羰基铁、钕铁硼中的一种，平均粒径为5μm。
本实施例中，S6中，将疏密梯度微结构100置于磁场强度为2T的均匀磁场中，静置5分钟，疏密梯度微结构100的微柱2的自由端朝向S极，微柱2的固定在基体1的一端朝向N极，得到锥尖为N极，基体1为S极的疏密梯度微结构100。
本实施例中，使得疏密梯度微结构100向微柱2的密端偏转的磁场为正向磁场，使得疏密梯度微结构100向微柱2的疏端偏转的磁场为反向磁场。
实施例三
如图5-图10c所示：本实施例提供了一种磁控开关200，包括实施例一的疏密梯度微结构100，疏密梯度微结构100位于微流道7中，微流道7位于磁场中，微流道7的一端为N极，微流道7的另一端为S极，微流道7采用PDMS制备而成，微流道7的宽度为5mm，长度为50mm，微柱2顶端与微流道7顶端的间距为2mm，微流道7的中部设置有进口8，进口8处连接毛细玻璃管11，微流道7的一端为第一出口9，微流道7的另一端为第二出口10，疏密梯度微结构100的基体1的一端(疏端)与第一出口9对应，基体1的另一端(密端)与第二出口10对应，微流道7置于匀强磁场中，磁场强度在-300mT～300mT之间。
将毛细玻璃管11与微流泵连接，液体通过毛细玻璃管11进入微流道7中，液体的流速为10μL/s，在磁场为0时，液体从密端(第二出口10)流出；当磁场为正向磁场是，液体从密端(第二出口10)加速流出；当磁场为反向磁场时，液体从疏端(第一出口9)流出，通过控制磁场的开关以及方向即可实现液体的定向铺展。
本实施例的疏密梯度微结构100由掺杂磁性粒子5的微柱2按照一定规则疏密阵列分布构成，微柱2可以在外部磁场的条件下定向偏转。当无外部磁场时，疏密梯度微结构100可以实现液体由疏到密的定向铺展；当有外部磁场时，并且使得微柱2由疏端向密端偏转时，液体铺展速度显著增加，并且反向截止效应明显，表现出强化的液体定向铺展；当有外部磁场时，并且使得微柱2由密端向疏端偏转时，液体向相反方向铺展。通过控制磁场的强弱，可以控制微柱2的偏转角度，继而控制液膜铺展方向，由此可以实现液体的定向调控。本实施例的磁控开关200可以实现微流控领域的液体铺展方向实时调控，为微流控、药物定向筛选、以及微流控芯片的设计提供新思路。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种磁控开关，其特征在于：包括疏密梯度微结构，所述疏密梯度微结构包括基体，所述基体上设置有若干阵列区域，各所述阵列区域包括若干均布的微柱，不同的所述阵列区域的所述微柱的间距由所述基体的一端向所述基体的另一端依次增大，所述微柱均具有磁性，所述疏密梯度微结构经均匀磁场进行磁化定向处理，所述疏密梯度微结构位于微流道中，所述微流道位于磁场中，所述微流道的中部设置有进口，所述进口处连接毛细玻璃管，所述微流道的一端为第一出口，所述微流道的另一端为第二出口，所述疏密梯度微结构的基体的一端与所述第一出口对应，所述基体的另一端与所述第二出口对应。
2.根据权利要求1所述的磁控开关，其特征在于：所述微柱的形状为锥形、圆柱或棱柱。
3.根据权利要求1所述的磁控开关，其特征在于：同一所述阵列区域的所述微柱的间距相同。
4.根据权利要求1所述的磁控开关，其特征在于：相邻的所述阵列区域的所述微柱的间距的梯度差值相同。
5.一种权利要求1-4任一项所述的疏密梯度微结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：采用与微柱形状相同的模具在基板上进行逐点制孔，制孔的间距与所述疏密梯度微结构的所述微柱的间距相同；
S2：对制得的孔进行抽真空，并向制得的孔内浇注带有磁性粒子的混合溶液；
S3：再次抽真空，刮去多余的带有所述磁性粒子的所述混合溶液，继续向所述基板上浇注所述混合溶液，形成基体；
S4：将经过S3的所述基板置于恒温箱中进行固化，然后冷冻、脱模，得到所述疏密梯度微结构；
S5：清洗并吹干；
S6：将所述疏密梯度微结构置于均匀磁场中，进行磁化定向。
6.根据权利要求5所述的疏密梯度微结构的制备方法，其特征在于：所述混合溶液与所述磁性粒子的质量比为5:1，所述混合溶液包括预聚物和固化剂，所述预聚物为聚二甲基硅氧烷，所述预聚物和所述固化剂的质量比为10:1。
7.根据权利要求5所述的疏密梯度微结构的制备方法，其特征在于：S4中，将经过S3的所述基板置于恒温箱中55℃固化24小时，取出后置于-50℃的冰箱中冷冻10分钟，之后取出进行脱模处理。
8.根据权利要求5所述的疏密梯度微结构的制备方法，其特征在于：S5中，将所述疏密梯度微结构依次置于正己烷、丙酮和无水乙醇中进行超声清洗，取出后用氮气吹干。
9.根据权利要求5所述的疏密梯度微结构的制备方法，其特征在于：S6中，将所述疏密梯度微结构置于均匀磁场中时，所述疏密梯度微结构的所述微柱的自由端朝向S极，所述微柱的固定在所述基体的一端朝向N极。
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