CN114761199A - 制造微流体结构的方法 - Google Patents

Abstract

制造微流体结构的方法，所述微流体结构包括设置在其中的至少一个通道，所述方法包括：将未固化的聚合物材料倒入模具中以产生第一层；至少部分地固化所述第一层；以及通过在所述第一层上设置支撑材料；将未固化的聚合物材料浇注到所述第一层上以形成第二层，从而封装所述支撑材料；以及至少部分地固化所述第二层，使得所述第一层和所述第二层一起形成所述微流体结构来形成所述至少一个通道；其中，所述支撑材料在形成所述至少一个通道的过程中经历相变。

Description

制造微流体结构的方法

背景技术

本发明涉及微流体结构，例如微流体芯片，以及制造这种结构的方法。这种结构包括流体可以通过的小通道，并且可以由聚合物材料制成。这种微流体结构的生产需要高精度制造，并且可以结合到这种结构中的通道的尺寸可能受到可用的制造工艺和/或材料的限制。

当聚合物材料用于生产微流体结构时，支撑结构通常用于在聚合物材料的固化期间保持聚合结构内的通道的形状。然而，在固化完成之后，可能难以去除用于支撑通道的材料。

在一些已知的方法中，可溶性材料诸如糖可用作在固化期间支撑通道的材料。也可以使用其他可溶性材料，例如可以使用增材层制造沉积的可溶性材料。在这种方法中，可以使用水或另一种液体来溶解可溶性材料，以便在固化后去除支撑物质。然而，如果通道具有复杂的形状或较长，则由于通道的长度和复杂性，可能难以去除可溶性材料。

本发明的目的是至少部分地解决上述问题。

发明内容

根据本公开，提供了制造微流体结构的方法，所述微流体结构包括设置在其中的至少一个通道，所述方法包括将未固化的聚合物材料倒入模具中以产生第一层，至少部分地固化所述第一层，以及通过将支撑材料设置在所述第一层上，将未固化的聚合物材料浇注到所述第一层上以形成第二层，从而封装所述支撑材料以及至少部分地固化所述第二层，使得所述第一层和所述第二层一起形成所述微流体结构来形成所述至少一个通道，其中，所述支撑材料在形成所述至少一个通道的过程中经历相变。也就是说，所述支撑材料本身的相可以从固体、液体或气体变为固体、液体或气体中的另一种。这可以允许所述支撑材料比其中固体材料被不同液体溶解的布置更容易地设置和/或去除。

任选地，所述第一层包括至少一个开放通道，当设置在所述第一层上时，所述支撑材料为流体，并且形成所述至少一个通道，包括：至少部分地用所述流体填充所述开放通道，固化所述流体，从而提供所述相变，通过将所述未固化的聚合物材料浇注到所述第一层上以形成所述第二层来封闭所述通道的至少一部分，从而封装所述固化的支撑材料。也就是说，将所述支撑材料设置在所述第一层上包括至少部分地用所述流体填充所述开放通道。所述相变使所述支撑材料固化。这可以允许所述通道的形状由模具确定，并且所述支撑材料容易地设置在所述第一层上。

可选地，所述流体为液体，并且所述相变是通过冷冻使所述液体固化。

任选地，所述支撑材料在设置在所述第一层上时为固体。这可以允许所述通道的形状预先形成为单独的部件。

可选地，其中所述相变是升华。这可以允许所述支撑材料比其中材料溶解在液体中的布置更容易地去除。

可选地，所述聚合物材料为弹性体材料。可选地，所述弹性体材料包括硅树脂、丙烯酸树脂、腈、橡胶和聚氨酯中的一种或多种。

任选地，所述方法还包括从所述通道去除所述支撑材料。

可选地，从所述通道去除所述支撑材料的步骤和固化所述第二层的步骤在时间上重叠。

任选地，所述方法还包括将未固化的聚合物材料倒入模具中以产生第三层，至少部分地固化所述第三层，在所述第二层的固化完成之前，将所述第三层设置在所述第二层上，以及将所述第二层和所述第三层固化在一起，使得在所述第二层和所述第三层之间形成结合。这可以允许形成多个分层结构。

可选地，所述方法还包括用流体填充所述第三层中的开放通道，固化所述液体，通过将未固化的聚合物材料浇注到所述第三层上以形成第四层来封闭所述通道的至少一部分，从而封装所述固化的流体，以及至少部分地固化所述第四层，使得所述第三层和所述第四层连接到所述微流体结构。这可以允许在单个结构中形成多层通道。

可选地，所述第二层聚合物材料的固化导致在所述层中的至少两层之间形成结合。

任选地，所述通道包括至少一个穿过所述层中的至少一层的开口。

可选地，所述通道包括穿过所述层中的至少一层的多个开口。这可以允许流体被引入到结构中和从结构中去除。

可选地，所述通道包括在所述微流体结构的相对端处的开口。

可选地，所述方法还包括通过至少一个开口设置电子元件。这可以允许所述结构被用作流量控制元件。

可选地，所述开放通道的横截面为部分椭圆形。

可选地，所述至少一个通道为通道网络。

可选地，所述通道网络包括布置成接收和/或储存流体的歧管和与所述歧管流体连接的多个支管。

任选地，所述支撑材料为水。

任选地，所述冷冻步骤在-30摄氏度或更低的温度下进行，优选在-50摄氏度或更低的温度下进行，更优选在-80摄氏度或更低的温度下进行。

任选地，所述方法还包括在所述第一层上设置附加支撑材料，其中所述附加支撑材料不同于所述支撑材料，所述附加支撑材料在所述形成所述通道的过程中不经历相变，并且所述支撑材料保留在所述第一层和所述第二层之间。

任选地，所述附加支撑材料是基本上平坦的片材，优选蜡纸或金属箔。

任选地，所述附加支撑材料布置成与设置在所述微流体结构中的流体相互作用。

根据本公开，还提供了制造微流体结构的方法，所述微流体结构包括设置在其中的至少一个通道，所述方法包括将未固化的聚合物材料倒入模具中以产生第一层，至少部分地固化所述第一层，通过将支撑材料设置在所述第一层上，将未固化的聚合物材料浇注到所述第一层上以形成第二层，从而封装所述支撑材料，以及至少部分地固化所述第二层，使得所述第一层和所述第二层一起形成所述微流体结构来形成所述至少一个通道，其中，所述支撑材料在形成所述至少一个通道的过程中不经历相变，并且所述支撑材料保留在所述第一层和所述第二层之间。

可选地，所述支撑材料布置成与设置在所述微流体结构中的流体相互作用。

根据本公开，还提供了可通过上述方法获得的微流体结构。

根据本公开，还提供了微流体结构，包括通道网络，其中所述通道网络包括布置成接收和/或储存流体的歧管和与歧管流体连接的多个支管，其中，所述微流体结构为柔性片材。

任选地，所述微流体结构为微流体芯片。

可选地，所述微流体结构包括通过电子元件以选择性流体连通的方式连接的两个通道。

可选地，至少一个通道布置成接收流体以使所述微流体结构的表面积或体积中的至少一者增加，和/或至少一个通道布置成改变体积，从而允许或阻止流过所述微流体结构中的另一通道。

根据本公开，还提供了用于布置用于皮肤接触的装置的衬垫，包括至少一个如上所述的微流体结构。

附图简要说明

现在将参考附图仅通过非限制性示例的方式描述本发明，其中：

图1示出了用于制造微流体结构的模具；

图2示出了模具中的第一层未固化的聚合物材料；

图3示出了包括开放通道的固化的第一层；

图4示出了具有填充有液体的开放通道的图3的层；

图5示出了图4的布置，其中在液体固化之后添加了第二层未固化的聚合物材料；

图6示出了在固化第二层之后的图5的布置；

图7示出了在去除液体之后的微流体结构；

图8示出了用于制造微流体结构的方法中的各种模具；

图9示出了微流体结构中的通道网络的示例；

图10示出了包括通孔的结构；

图11示出了用于制造图10的结构的方法中的模具；

图12示出了假肢中的衬垫；

图13示出了假肢中的衬垫，其中流体被供应到其腔室；

图14示出了具有三层的微流体结构，以及层之间的互连；

图15示出了包括三个开放通道的固化的第一层；

图16示出了具有附加支撑材料的图15的布置；

图17示出了图16的布置，其中开放通道填充有液体；

图18示出了图17的布置，其中在液体固化之后添加了第二层未固化的聚合物材料

图19示出了在去除液体之后在图15-18中形成的结构；以及

图20示出了图19的结构，其中附加通道可见并且支撑材料保留在结构中。

具体实施方式

本发明提供了制造微流体结构的方法，该微流体结构包括在该微流体结构内的至少一个通道。该结构可以为微流体芯片。这种微流体芯片可以具有设置在该芯片内部的一个或多个通道，其允许流体通过。特别地，该结构可以包括可以在许多不同应用中使用的通道网络。例如，该芯片可以由柔性材料形成，例如弹性体聚合物，特别是弹性体。这种芯片可以包括柔性歧管。也就是说，流体可以保留在该芯片内并在该芯片内四处移动和/或移动到连接到该芯片的其他部件。

现在将参考图1-7描述所述制造微流体结构的方法，其中示出了包括单个通道的简化表示。然而，应当理解，通道可以形成任何合适形状的通道网络，例如，如图8和图9所示。

模具10用于生产该结构的第一层。如图1所示，该模具可以具有凸起部分11，其对应于结构中通道的期望形状和位置。尽管图11中示出了对应于单个通道的单个凸起部分，但是可以使用更复杂形状的模具来产生对应的更复杂形状的通道，例如图8中所示的那些模具，其中提供了从模具的一侧跨越到另一侧的通道网络。

如图2所示，将未固化的聚合物材料倒入模具10中以形成第一层12。然后至少部分地固化该第一层，使得其保持由模具10限定的形状。固化过程可以使用本领域已知的任何合适的方法进行，包括化学引发的固化或(例如热固性材料)通过热或辐射诱导的固化。如果部分固化第一层，则一旦将其从模具中去除，该层就可以保持由模具限定的形状，但是仍然可以保持与聚合物材料的另外的层形成进一步结合(即连接到聚合物材料的另外的层)的能力，如下面将描述的。

如图3所示，其示出了在(部分)固化并从模具10去除之后的第一层12，在模具的凸起部分11的位置处形成开放通道13。应当注意，第一层12在图3中已被翻转，使得开放通道面向上。在该阶段，可以将第一层12放置在第二模具14中以用于后续步骤，或者如下所述，这可以在该方法中稍后进行。如图3所示，开放通道向第一层12的一个表面开放，并且在横截面中表现为第一层12的表面中的凹陷。在图3所示的布置中，第一层12的顶表面比第一层的底表面窄。这是因为，当浇注未固化的弹性体时，可能会形成弯月面，如图2所示。这可导致图3中的第一层12的底表面(即，图2中的第一层12的顶表面)比图3中的第一层12的顶表面长，从而导致图3中所示的形状。然而，取决于所使用的材料，可以不形成弯月面，或者它可以是可忽略的，因此，与图3中所示的梯形相反，第一层12的横截面也可以是矩形。

通常，如图3所示，开放通道的横截面是椭圆形的一部分，例如半圆形或其圆周的一部分被去除的椭圆形。根据所使用的材料，可以使用不同横截面形状的通道。对于大致柔性的材料，可以使用如图3所示的具有小于其周长的一半的椭圆形的横截面形状。在这种情况下，材料的柔性可以允许从模具中去除第一层12。对于柔性较小的材料，可以使用半椭圆形或其周长的一半以上被去除的椭圆形形状，以便于从模具10去除第一层12。应当理解，圆形是椭圆的特定示例。还应当理解，根据通道的期望形状，横截面可以具有任何其他几何形状。

然后，开放通道13至少部分地填充有液体15，如图4所示。液体15用作支撑材料。液体15可以是水，或者可以是可以在适当温度下冷冻的任何其他合适的液体。例如，可以将改变液体的物理或化学性质的添加剂添加到液体中。这样的添加剂可以例如与液体反应以降低其温度以冷冻液体，或者可以改变液体的冰点。开放通道可以完全填充有液体，或者对于在冷冻时膨胀的液体，可以部分地填充有足够的液体，使得一旦液体冷冻，它就形成通道的其余部分的期望形状。可以选择开放通道填充液体的程度，以考虑液体在冷冻时体积的变化。此外，当液体设置在开放通道中时，液体的表面张力可以形成弯月面，当从横截面看时，该弯月面可以具有凸形的形状。也就是说，填充通道，使得其表面在其中设置通道的层的表面上方延伸。当液体冷冻时，体积的变化可能导致冷冻液体膨胀或收缩，从而在通道中提供所需形状的支撑材料。

然后，开放通道中的液体15被冷冻(即，经历相变)。冷冻液体用作支撑材料，其允许第二聚合物层设置在第一层的顶部上，并且在第一层和第二层之间形成封闭通道。换句话说，一旦结构已经形成，冷冻液体就填充将形成通道的空间。应当理解，术语“冷冻的”和“冷冻”通常是指固化液体。该术语不限于使用任何特定的温度或液体，并且可以用于描述改变任何液体的温度使得其相变为固相的过程。

冷冻可以在任何合适的温度下进行，但是温度优选足够低，使得液体在固化第二层的后续过程的至少一部分期间保持冷冻，使得冷冻的液体可以在通道的区域中支撑未固化的液体层。特别地，冷冻可以在-30摄氏度或更低的温度下进行，优选在-50摄氏度或更低的温度下进行，更优选在-80摄氏度或更低的温度下进行。

可以通过将第一层和通道中的液体置于适当温度的气氛中来进行冷冻。可替代地或另外地，可以对通道中的液体施加局部冷却以使其达到期望的温度。

在冷冻液体的步骤之后，如图5所示，将未固化的聚合物材料浇注到第一层12上以形成第二层16。因此，冷冻液体被封装在第一层和第二层之间，并且在冷冻液体15周围形成封闭通道，该封闭通道限定在第一层12和第二层16之间。换句话说，冷冻液体15支撑第二层16的位于通道的开口部分上方的部分，并且第二层的该部分封闭通道。可以将第二层16倒入第二模具14中，在浇注第二层16之前，在第二模具14中设置第一层12。

然后至少部分地固化第二层16。在第二层的固化过程期间，可在第一层12和第二层16之间形成交联(即化学键)以连接第一层和第二层。这可以导致形成一个连续块1的结构，如图6和图7所示。换句话说，一旦结构的固化已经完成，第一层和第二层可能不再是可单独识别的，特别是如果第一层和第二层使用相同的材料形成。应当理解，如果第一层和第二层具有不同的机械性质或者由彼此不同的材料形成，则这些层仍然连接在一起，但是仍然可以单独地识别。

在第二层固化之后，或在固化第二层的过程期间，冷冻液体(即支撑材料)经历另一相变。可以允许冷冻液体返回到液态(即熔化)，并从通道中去除。或者，固体可以直接改变相为气体(即升华)。可以使用空气、通过抽吸或通过将空气吹过通道或通过任何其他合适的过程来去除支撑材料。在图7中示出了去除了液体的成品结构1。

如上所述的方法允许在微流体结构中形成非常小直径的通道。此外，因为在浇注第二层未固化聚合物时支撑通道的物质(即支撑材料)是液体，所以一旦其熔化就可以容易地去除。

在上述布置中，液体15用作支撑材料，因此液体通过冷冻而固化。然而，支撑材料最初可以是气体，并且相变可以是从气体到液体，然后到固体，或者可以直接从气体到固体。

在另一种布置中，当支撑材料设置在第一层上时，支撑材料可以是固体，而不是液体或气体。例如，可以使用支撑材料形成图案，其中图案的形状对应于待形成的通道的形状。通过将未固化的聚合物材料倒入模具中形成第一聚合物材料层，并且第一层至少部分地固化。与上述布置相反，在形成第一层期间，不需要通过模具在第一层中形成(开放)通道。

在第一层至少部分固化之后，将图案放置在第一层上，并且将未固化的弹性体浇注到第一层和图案的顶部上以封装支撑材料，从而形成第二层。然后将第二层至少部分固化。然后，在形成第二层之后和/或在第二层的固化过程期间，支撑材料可以经历相变。在一些布置中，固体可以变为液相(即熔体，如上所述)。在其他布置中，固体可以升华(即，从固相直接变为气相)。在这两种情况下，一旦支撑材料经历相变，就可以去除支撑材料。可以通过将结构暴露于温度或压力的变化而引起相变，或者可以在环境温度下发生相变。可用于可升华的支撑材料的合适材料包括但不限于萘和干冰(固体二氧化碳)。

其中支撑材料在设置在第一层上时是固体的上述布置也允许在微流体结构中形成非常小直径的通道。此外，因为支撑通道的物质(即支撑材料)经历相变，所以在相变之后可以容易地将其去除。应当理解，这种相变可以提供比已知布置更容易的支撑材料的去除，例如在已知布置中，材料被溶解。

上述两种方法都可以扩展到包括在结构上形成另外的层。这可以允许层“堆叠”在彼此的顶部，其中多个通道或通道网络设置在相同的结构中。不同层中的通道也可以通过这些层之间的开口互连，从而允许不同层中的通道之间的流体连通。这种配置如图14所示，并在下面进行描述。

为了形成这种结构，可以将未固化的聚合物材料倒入模具中以产生包括至少一个开放通道的第三层。应当理解，模具可以具有与用于形成第一层的模具相同的形状，或者可以具有不同的形状，这取决于第三层中的通道的期望形状。模具可以包括在模具中的一个或多个凸起部分，其延伸到未固化聚合物浇注到的水平上方，以便提供如下所述的开口。这些可以允许第三层和其他层之间的互连。

然后至少部分地固化第三层，使得其保持由模具限定的形状。与第一层一样，如果部分固化第三层，则一旦其从模具中去除，该层就可以保持由模具限定的形状，但是仍然可以保持与聚合物材料的另外的层形成进一步结合(即连接到聚合物材料的另外的层)的能力。

一旦形成，则将第三层设置在第二层上，其中第三层的不具有开放通道的表面与第二层接触。这可以在第二层部分固化的同时进行。这允许第二层和第三层随后一起固化，使得在第二层和第三层之间形成结合。也就是说，将第三层连接到第二层。

在第三层已经连接到第二层之后，进行上述关于第一层和第二层所述的封闭第三层中的开放通道的步骤。也就是说，第三层中的开放通道至少部分地填充有液体(其是流体的示例)，并且开放通道中的液体然后被冷冻(即固化)。

在冷冻液体的步骤之后，将未固化的聚合物材料浇注到第三层上以形成第四层。因此，冷冻液体被封装在第三层和第四层之间，并且在冷冻液体周围形成限定在第三层和第四层之间的封闭通道。换句话说，冷冻液体支撑第四层的在通道的开口部分上方的部分。因此，形成闭合通道。

然后至少部分固化第四层。在第四层的固化过程期间，可以在第三层和第四层之间形成交联(即化学键)，使得该结构形成一个连续块。换句话说，一旦结构已经完成，则第三层和第四层相互连接。在该步骤期间，还可以在第二层和第三层之间形成另外的交联。在一些布置中，第三层和第四层可能不再是可单独识别的。应当理解，如果第三层和第四层具有不同的机械性质或者由彼此不同的材料形成，则这些层是连接在一起的，但是仍然可以是可单独识别的。

在第四层固化之后，或在固化第四层的过程期间，冷冻液体返回到液态，并从通道中去除。可以使用空气，通过抽吸或通过将空气吹过通道，或通过任何其他合适的过程来去除液体。

当如上所述将第三层和第四层添加到结构中时，可以定时固化各个层的步骤，以便在彼此接触的每个层之间提供交联。也就是说，所有层可以在它们首次形成时部分固化，并且每个后续层可以在前一层的固化完成之前设置在前一层上。这可以确保块体的结构完整性，并且允许在制造期间通过控制每层的固化来控制块体的性质。

应当理解，上述步骤可以根据需要进行多次，以在结构中设置堆叠在另外的层中的附加通道组。换句话说，如上述关于第三层和第四层所述的添加附加层的步骤可以重复多次，以便创建多层结构。还应当理解，使用初始固体支撑材料的布置可以用于一些层，并且使用初始液体支撑材料的布置可以用于相同结构中的其他层。

图14中示出了包括三个结构层的这种多层结构的示意性表示，其示出了类似于图7的视图，但是具有多个通道31以及同一层中的一些通道之间以及层30a、30b、30c之间的互连32。应当理解，成品结构中的结构层30a、30b、30c中的每一个可以通过上述方法生产，使得每一层通过组合两个单独的聚合物材料层而制成。也就是说，上述第一层和第二层构成第一结构层30a，并且上述第三层和第四层构成第二结构层30b。尽管图14中示出了层30a、30b、30c之间的连接，但是应当理解，这些连接在成品结构中可能不是单独可识别的。互连32可使用与通道31本身相同的工艺形成。因此，互连也可以被认为是设置在结构内的另外的通道。

图14中的布置包含三个结构层30a、30b、30c，其中在第一层中的通道与第二层中的通道之间具有互连，并且在第三层中的两个通道之间具有互连。然而，应当理解，这仅仅是示例性布置，并且相同结构层和不同结构层中的通道之间的互连的任何其他组合都是可能的。

除了包括经历相变的支撑材料的上述方法之外，在一些布置中，可以使用不经历相变的附加支撑材料。在一种布置中，附加支撑材料可以保留在成品结构内部。在这种布置中，附加支撑材料可以是基本上平坦的柔性片材。这样的片材可以是蜡纸、蜡质塑料的片材或涂覆有另一种有机涂层的纸或塑料材料、金属箔(例如铝箔)的片材，或由有机聚合物形成或包含有机聚合物的片材。这种平坦的柔性片材的厚度可以小于1mm，并且优选地为0.3-0.7mm，更优选地基本上为0.5mm。

使用不经历相变的附加支撑材料可特别用于形成其中通道在给定结构层内沿不同方向延伸的结构。在一些布置中，可能期望此类通道彼此交叉而不彼此流体连通。这在支撑材料在通道形成期间最初是流体的布置中可能难以实现，因为同一结构层内的通道填充有单个连续的流体延伸，这导致成品通道彼此合并(即流体连通)。此外，可能期望提供桥接在制造单个结构层的过程期间形成的单独层12、16中的两个的通道，或者桥接在成品结构层之间的通道。

为了在同一结构层中提供彼此交叉或如上所述的桥接层的通道的分离，可以使用如上所述的附加支撑材料。使用这种附加支撑材料的过程如图15-20所示并在下面进行描述。

除了(主)支撑材料15之外，在该过程期间在第一层12上设置附加支撑材料。当使用平片材时，这可以在聚合物中提供在聚合物的浇注期间形成的“断裂”，其在成品结构的聚合物中形成不连续性。这种不连续可以进而形成附加通道。

在图15-20中所示的过程中，图15示出了第一层12，其类似于图3中所示的第一层，但具有三个通道13a、13b、13c。应当理解，在成品结构中，通道13在图15所示的横截面中沿“进入页面”的方向延伸。

附加支撑材料40的使用允许形成附加通道40a(如图20所示)，其跨越外部两个通道13a和13c之间，并且绕过中间通道13b。在图20的视图中，附加通道40a在从左到右的方向上延伸。也就是说，附加通道40a在垂直于通道13的方向上延伸。换句话说，如上所述，附加通道40a与通道13b交叉而不与其流体连通，并且在通道13a和13c之间连接或桥接。

在已经形成图15中所示的第一层12之后(通过与上文关于图3所述相同的过程)，在第一层12上、在通道13内部并且以附加通道40a的期望形状提供附加支撑材料40。应当理解，附加支撑材料不需要沿着通道13的整个长度延伸，而是仅部分地沿着通道的长度在“进入页面”的方向上延伸。

一旦提供了附加支撑材料40，就提供支撑材料15(其在该布置中可以被认为是“主要”支撑材料)，如在上述过程中那样。例如，可以将液体倒入通道13中，并且冷冻液体支撑材料，如上文关于图4所述。图17示出了在已经添加支撑材料15之后的图16的视图，其中附加支撑材料40设置在(主)支撑材料15内并因此设置在通道13内。

图18示出了在已经提供第二层16之后的图17的布置，类似于在图5中添加到图4的布置的第二层。第一层和第二层中附加支撑材料40的存在产生上述不连续性。

图19示出了成品结构，其中三个通道13a、13b、13c和附加支撑材料40保留在成品结构中。如图20所示，附加通道40a可以自然地围绕附加支撑材料40形成，或者可以在结构中提供流体时围绕由附加支撑材料引起的不连续部打开。

在一种布置中，附加支撑材料被成形为使得一个通道在垂直于通道延伸的方向的方向上(即，在图7的视图中的竖直方向上)相对于彼此移位。因为附加支撑材料是基本上平坦的柔性片材，所以一旦形成闭合通道，它就可以邻接通道的壁，并且不干扰通道，或者它可以保持设置在通道内而不会由于其厚度而阻止流过通道。因此，它不需要从结构中去除，并且保留在成品结构中。如上所述，可以除去确实经历相变的支撑材料(即主支撑材料)，同时将附加支撑材料保留在适当位置。

此外，附加支撑材料可以具有以有利的方式与通道中的流体相互作用的另外的功能。相互作用可以是化学相互作用或物理相互作用。例如，附加支撑材料可以具有嵌入其中的物质，该物质可以通过通道中的流体从附加支撑材料吸收。这可以允许改变流体的性质。在另一个示例中，附加支撑材料可以用作过滤器以从通道中的流体中去除物质(即，从流体中吸收物质，而不是从附加支撑材料吸收流体物质)。在另一个示例中，附加支撑材料可以包含保留在附加支撑材料中的物质，但是在结构中的流体中发生化学反应。因此，附加支撑材料可以具有两个功能，即其在形成如上所述的通道中的功能，以及在成品结构中与流体相互作用的功能。

还应当理解，在一些布置中，可以使用在形成通道的过程期间不经历相变的支撑材料，而不使用在形成通道的过程期间确实经历相变的支撑材料。这种支撑材料可以是例如基本上平坦的柔性片材(如上所述为“附加支撑材料”)。应当理解，在这种布置中，柔性片材用作(主)支撑材料，而不是附加支撑材料。换句话说，在形成至少一个通道的过程期间不经历相变并且保留在第一层和第二层之间的支撑材料代替经历相变的支撑材料。

在上述方法中使用的聚合物材料可以是任何可固化的聚合物。特别地，聚合物弹性体材料(即弹性体)或热固性材料。弹性体材料可以是(但不限于)硅树脂、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、丙烯酸树脂、腈、橡胶和聚氨酯中的一种或多种。用于第一层和第二层的材料可以相同或不同，并且可以使用以下提及的材料的任何组合。可以根据微流体结构的期望性质来选择聚合物材料。例如，如果需要柔性结构，则硅树脂可能是特别合适的，或者如果需要更刚性的结构，则可以使用更刚性的聚合物(例如丙烯酸树脂)。不同的材料可以用于不同的层，其可以用于组合不同材料的性质(例如，以产生半刚性结构，其中一层以及因此结构的一部分具有与另一层不同的刚性)。

在上述方法中使用的模具可以使用增材层制造(3-D打印)来制造，并且模具可以作为该方法的一部分生产以提供所需的通道布局。然而，模具也可以通过任何其他合适的方法生产。合适的模具的示例如图8所示。

由上述方法产生的微流体结构可以形成柔性片材。换句话说，片材可以具有在厚度方向上分开的两个主表面。两个主表面可以基本上彼此平行地延伸。剩余的一个或多个表面可以在厚度方向(即，垂直于主表面延伸的方向的方向)上延伸。这些剩余表面可以具有比主面更小的面积，并且可以被认为是片材的侧表面或边缘。在一些布置中，片材可以具有正方形或矩形形状，使得结构具有立方形形状，其中两个面比其余面大得多，其余(较小)面在厚度方向上形成边缘。

应当理解，柔性片材不限于该特定形状，而是柔性片材的不同几何形状在本公开的范围内。柔性片材可以是适于用作刚性表面之间的界面的任何形状，包括抛物线、环形、平面或这些几何形状中的一些或全部的组合。

在一些布置中，该结构包括进入通道的一个或多个开口。也就是说，一个或多个开口允许流体被引入到结构中或从结构中去除。

在一些布置中，在结构的相对侧上可以存在两个开口。这些可以在厚度方向上的侧表面上。这可以允许流体被引入到结构中并流过通道。例如，开口可以设置在片材的相对边缘表面上，使得流体可以通过一个开口引入并通过另一个开口去除。

如上所述，至少一个通道可以是通道网络。也就是说，在结构中可以设置有若干不同的通道，这些通道可以连接在一起或者可以彼此分离。图9中示出了这种通道网络的示例。在一些布置中，通道网络可以包括歧管和与歧管流体连接的若干支管。歧管可以是形成布置成在其中存储和/或保留流体的空间的通道。分管可以直接或间接地(例如，通过阀)连接到歧管，使得流体可以从歧管供应到支管。

另外，可以在结构的主表面上提供一个或多个开口，如图10所示。这样的开口可以在形成第一层的过程中通过在模具中设置凸起部分而形成，所述凸起部分在未固化的聚合物浇注到的水平上方延伸。这些可以采用从模具的基部延伸的柱(或柱)18的形式。图11示出了可用于生产这种层的相应模具。因此，当固化的第一层从模具中去除时，通孔17存在于第一层中，其随后在结构的主表面中的通道中形成开口。模具中的凸起部分也可以用于其他目的。例如，当已经形成具有进入通道的通孔的层时，它们可以用于在通道填充有液体时阻塞孔，以防止液体在冷冻之前泄漏。此外，用于形成后续层的模具(例如，如上所述的第二模具14)可以包括柱18，柱18对应于已经形成的层中的通孔17。这些柱可用于在浇注后续层的未固化聚合物期间阻塞孔，并在后续层中形成与已经形成的层中的孔对准的另外的孔。

结构的主表面中的开口可以用于各种目的。例如，诸如电子元件或流体控制部件的其他部件可以安装到结构中(即，通过开口中的至少一个设置)。例如，阀可以插入通孔中(即，安装到结构)，以便控制通过通道的流动。电子元件也可以经由与开口流体连通的管道安装到结构。

在一些布置中，可以存在不直接链接在一起(即，在结构内部链接在一起)的一个或多个通道(例如，如上所述的支管)。相反，可以提供一个或多个阀，其可以布置成使得阀选择性地允许或防止两个通道之间的流体连通。在一些布置中，阀可以是安装到结构(或安装在结构中)的电子阀或气动阀。这可以允许该结构被用作流量控制元件。

此外，在一些布置中，该结构的通道本身可以用作阀，以允许或阻止流过该结构的另一通道。也就是说，一个通道可以布置成使得当其填充有流体时，其体积改变，使得其阻塞另一个通道。同样，这可以允许该结构用作流量控制元件，并且控制通过结构本身的流体流动。

微流体结构可以用在用于诸如假肢的装置或与身体部位接触的其他装置的衬垫中。例如，物体或表面可以是布置成用于皮肤接触的医疗或非医疗装置。衬垫还可以包括多个腔室，这些腔室布置成储存或保留流体。在一些布置中，通道布置成接收流体以使微流体结构的表面积或体积中的至少一者增加，这可以提供对身体部位的改善的缓冲或对身体部位的抓握。下面参考图12和13解释其示例。

图12和图13示出了在假肢21中实施的具有多个腔室20的衬垫19的示例。腔室20通过通道连接并且实际上腔室和通道可以一起被认为是如上所述的通道网络。也就是说，腔室本身也是通道。图12示出了腔室20未填充流体的状态，因此具有小的体积。图13示出了流体供应到腔室20的状态。流体可以通过如上所述的一个或多个开口供应，并且可以通过任何数量的开口供应任何数量的腔室。

当流体被供应到开口时，腔室20可以部分地或完全地填充有流体。如果流体是气体，则流体可以填充腔室20的整个容积。当供应流体时，腔室的体积可以增加。腔室的体积的增加可能导致在对应于相应腔室的衬垫的局部区域处的衬垫(即，结构)的表面积和/或体积的增加。体积的这种增加可以在衬垫10的内表面处和/或衬垫的外表面处。在一些示例中，腔室20在填充有流体时可以延伸超过未填充衬垫(即，未填充结构)的厚度。体积和/或表面积的增加是由流体供应引起的腔室内的压力增加引起的。因此，显而易见的是，通过改变供应到腔室的流体，可以控制腔室的局部区域处的衬垫的表面积和/或体积的增加。

此外，该结构不限于用作身体部位和假肢之间的衬垫，而是适合于用作任何合适的物体之间的界面。在一些非限制性示例中，该结构可用于在滑雪靴、轮椅、床垫或头盔中提供缓冲。

本领域技术人员应当理解，虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例性实施例。根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变化，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内。来自本公开的任何示例或实施例的特征可以与来自本公开的任何其他示例或实施例的特征组合。

Claims (30)

1.制造微流体结构的方法，所述微流体结构包括设置在其中的至少一个通道，所述方法包括：

将未固化的聚合物材料倒入模具中以产生第一层；

至少部分地固化所述第一层；以及

通过以下方式形成所述至少一个通道：

将支撑材料设置在所述第一层上；

将未固化的聚合物材料浇注到所述第一层上以形成第二层，从而封装所述支撑材料；以及

至少部分地固化所述第二层，使得所述第一层和所述第二层一起形成所述微流体结构；

其中，所述支撑材料在形成所述至少一个通道的过程中经历相变。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述第一层包括至少一个开放通道；

当设置在所述第一层上时，所述支撑材料为流体；以及

形成所述至少一个通道，包括：

至少部分地用所述流体填充所述开放通道；

固化所述流体，从而提供所述相变；以及

通过将所述未固化的聚合物材料浇注到所述第一层上以形成所述第二层来封闭所述通道的至少一部分，从而封装所述固化的支撑材料。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述流体为液体，并且所述相变是通过冷冻使所述液体固化。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支撑材料在设置在所述第一层上时为固体。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其中，所述相变是升华。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述聚合物材料为弹性体材料，优选地包括硅树脂、丙烯酸树脂、腈、橡胶和聚氨酯中的一种或多种。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括从所述通道去除所述支撑材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，从所述通道去除所述支撑材料的步骤和固化所述第二层的步骤在时间上重叠。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：

将未固化的聚合物材料倒入模具中以产生第三层；

至少部分地固化所述第三层；

在所述第二层的固化完成之前，将所述第三层设置在所述第二层上；以及

将所述第二层和所述第三层固化在一起，使得在所述第二层和所述第三层之间形成结合。

10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：

用流体填充所述第三层中的开放通道；

固化所述液体；

通过将未固化的聚合物材料浇注到所述第三层上以形成第四层来封闭所述通道的至少一部分，从而封装所述固化的流体；以及

至少部分地固化所述第四层，使得所述第三层和所述第四层连接到所述微流体结构。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二层聚合物材料的固化导致在所述层中的至少两层之间形成结合。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述通道包括至少一个穿过所述层中的至少一层的开口，并且优选地包括穿过所述层中的至少一层的多个开口。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述通道包括在所述微流体结构的相对端处的开口。

14.根据权利要求12或13所述的方法，所述方法还包括通过至少一个开口设置电子元件。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述开放通道的横截面为部分椭圆形。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个通道为通道网络。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述通道网络包括布置成接收和/或储存流体的歧管和与所述歧管流体连接的多个支管。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述支撑材料为水。

19.根据权利要求3-18中任一项所述的方法，其中，所述冷冻步骤在-30摄氏度或更低的温度下进行，优选在-50摄氏度或更低的温度下进行，更优选在-80摄氏度或更低的温度下进行。

20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述第一层上设置附加支撑材料，其中所述附加支撑材料不同于所述支撑材料，所述附加支撑材料在所述形成所述通道的过程中不经历相变，并且所述支撑材料保留在所述第一层和所述第二层之间。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述附加支撑材料是基本上平坦的片材，优选蜡纸或金属箔。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述附加支撑材料布置成与设置在所述微流体结构中的流体相互作用。

23.制造微流体结构的方法，所述微流体结构包括设置在其中的至少一个通道，所述方法包括：

将未固化的聚合物材料倒入模具中以产生第一层；

至少部分地固化所述第一层；以及

通过以下方式形成所述至少一个通道：

将支撑材料设置在所述第一层上；

将未固化的聚合物材料浇注到所述第一层上以形成第二层，从而封装所述支撑材料；以及

至少部分地固化所述第二层，使得所述第一层和所述第二层一起形成所述微流体结构；

其中，所述支撑材料在形成所述至少一个通道的过程中不经历相变，并且所述支撑材料保留在所述第一层和所述第二层之间。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述支撑材料布置成与设置在所述微流体结构中的流体相互作用。

25.可通过前述权利要求中任一项所述的方法获得的微流体结构。

26.微流体结构，包括通道网络，其中，所述通道网络包括布置成接收和/或储存流体的歧管和与所述歧管流体连接的多个支管，

其中，所述微流体结构为柔性片材。

27.根据权利要求25或26所述的微流体结构，其中，所述微流体结构为微流体芯片。

28.根据权利要求25-27中任一项所述的微流体结构，其中，所述微流体结构包括通过电子元件以选择性流体连通的方式连接的两个通道。

29.根据权利要求25-28中任一项所述的微流体结构，其中，至少一个通道布置成接收流体以使所述微流体结构的表面积或体积中的至少一者增加，和/或至少一个通道布置成改变体积，从而允许或阻止流过所述微流体结构中的另一通道。

30.用于布置用于皮肤接触的装置的衬垫，包括至少一个如权利要求25-29中任一项所述的微流体结构。

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