CN115178312A - 一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置。装置包括固定边框与密封边框固定连接形成封闭式矩形边框、上盖板和微流控拼图模块；封闭式矩形边框中的两个侧边开设有多个凹槽，且通过安装在封闭式矩形边框内的微流控拼图模块进行连通，上盖板固定安装在封闭式矩形边框顶端面上，且上盖板的端面上开设有多个通孔；具有不同流道的微流控拼图模块主要由十字流道模块、直流道模块、T形流道模块、微反应腔室模块和流道转向模块中的一种或多种通过不同的排列组合形成。本发明能够实现对微流体的多流道选通、多相流混合以及微反应诱发等功能，具有可重构性强、鲁棒性强、操作简便、设备简单以及精确度高等特点。

Description

一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置
技术领域
本发明涉及了微流控技术领域的一种可重构微流控的装置，尤其涉及一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置。
背景技术
在当前科学研究中，微流控技术已经成为生物医学分析等研究领域中的一项十分关键的技术，除了用于化学分析外，微流控技术无与伦比的优势，如极低的化学试剂消耗、反应速度快和高反应通量等，为化学合成、材料科学、生物学和临床诊断等众多研究领域带来了无限的可能性。然而，微流控技术正处于发展阶段，微流体的潜力尚未得到充分开发，而对面向各种独特应用场景的定制化微流控系统的需求越来越大。然而，制造定制的微流控芯片会导致高昂的制造成本，并且会耗费大量的人力和物力资源。尽管软光刻技术的出现和弹性体的使用大大简化了制造流程与成本，但此类工艺仍然高度依赖于专业的设施和专业操作人员，因此很难在资源有限的条件下现场部署所需的微流控系统。
近年来，微流控领域见证了适用于微流控系统简化定制的新型制造技术的快速发展。其中，光固化成形工艺(光固化3D打印)是极具代表性的一种制造方法，已被用于直接创建任意微流控结构。最先进的光固化成形技术已经可以通过双光子聚合实现亚微米级微流控结构的制造，使通道横截面小至18μm×20μm，这对于大多数微流控系统应用来说已经足够精细。然而，光固化打印工艺只能产生单片器件，因此微流控系统的设计必须在预制阶段完成。在设备原型和护理点测试等应用中，需要快速现场定制和重新配置微流体平台，此时常规的光固化打印微流控器件由于从设计到使用的周期较长而变得效率低下。
发明内容
为了实现微流控系统的个性化定制与实时重构，利用移动拼图装置中的模块化的可个性化排列的特性，本发明提出了一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置。利用光固化成形技术对微流控拼图模块进行个性化设计与制造，并通过不同模块间的榫卯结构实现微流控拼图模块间的自密封以及自动对齐。使得微流控系统的个性化定制与不同功能间的重新配置可以通过移动拼图装置中的模块来实现。
本发明采用的技术方案是：
本装置包括固定边框、上盖板、微流控拼图模块和密封边框；所述固定边框与密封边框固定连接形成封闭式矩形边框，所述封闭式矩形边框中两个相对称的侧边均间隔开设有多个用于流通流体的凹槽，所述微流控拼图模块通过封闭式矩形边框内侧面开设的的V形榫头及V形榫槽嵌合安装在封闭式矩形边框内，使得封闭式矩形边框中两个相互平行的侧边开设的凹槽通过微流控拼图模块进行连通，所述上盖板固定安装在封闭式矩形边框顶端面上，且所述上盖板的端面上开设有多个通孔。
所述微流控拼图模块主要由十字流道模块、直流道模块、T形流道模块、微反应腔室模块和流道转向模块中的一种或多种组成；所述十字流道模块、直流道模块、T形流道模块、微反应腔室模块和流道转向模块进行不同的排列组合形成具有不同流道的微流控拼图模块；
所述十字流道模块的顶端面中心部位开设有十字形凹槽，所述十字形凹槽是由两个分支凹槽垂直交叉构成，且十字形凹槽的两个分支凹槽分别平行于十字流道模块的顶端面的任意两个相邻的边，且十字形凹槽的四端分别延伸至十字流道模块的四个侧面；
所述直流道模块的顶端面上开设有条形凹槽，且条形凹槽平行于直流道模块的顶端面的任意一条边，且条形凹槽的两端分别延伸至直流道模块的两个侧面；
所述T形流道模块的顶端面上开设有T形凹槽，所述T形凹槽是由两个分支凹槽垂直相交构成，且T形凹槽的两个分支凹槽分别平行于T形流道模块的顶端面的任意两个相邻的边，且T形凹槽的三端分别延伸至T形流道模块的三个侧面；
所述微反应腔室模块的顶端面开设有纺锤形凹槽，且纺锤形凹槽的中心轴线平行于微反应腔室模块的顶端面的任意一条边，且纺锤形凹槽的两端分别延伸至微反应腔室模块的两个侧面；
所述流道转向模块的顶端面上开设有L形凹槽，且L形凹槽的两个分支凹槽分别平行于流道转向模块的顶端面的任意两个相邻的边，且L形凹槽的两端分别延伸至流道转向模块的两个相邻的侧面。
所述十字流道模块、直流道模块、T形流道模块、微反应腔室模块和流道转向模块均为矩形柱结构，且十字流道模块、直流道模块、T形流道模块、微反应腔室模块和流道转向模块各自两个相邻的侧面均加工为V形榫头，所述十字流道模块、直流道模块、T形流道模块、微反应腔室模块和流道转向模块各自另外两个相邻的侧面均加工为V形榫槽。
所述上盖板的多个通孔分别与封闭式矩形边框中两个相互平行的侧边开设的凹槽一一连通，使得封闭式矩形边框中两个相互平行的侧边开设的凹槽内的流体均通过上盖板开设的通孔流入或流出。
所述固定边框的两端端部均开设有榫头，所述密封边框的两端端部分别开设有与固定边框的两端的榫头相适应的榫槽，使得固定边框与密封边框进行榫卯连接。
所述封闭式矩形边框两个相邻的内侧面均加工为V形榫头，所述封闭式矩形边框另外两个相邻的侧面均加工为V形榫槽。
所述上盖板为透明材料制成。
所述固定边框、上盖板和密封边框均通过注塑成形的工艺进行制造。
本发明的有益效果是：
1)本发明基于光固化成形的工艺制作了可以高度定制化设计的微流控拼图模块，实现了微流控系统的个性化定制以及实时可重构部署；
2)本发明所用设备简单、操作简便，并且可以通过移动微流控拼图模块实现多种微流控功能，包括多流道选通、多相流混合以及微反应诱发等功能，具有可重构性、鲁棒性强、操作简便、设备简单以及精确度高等特点；
3)本发明具有易与其他微流控技术结合、成本低的特点。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是光固化成形工艺定制的微流控拼图模块结构示意图；
图3是装配完成的可重构微流控移动拼图装置的示意图；
图4是微流控拼图模块中单个模块的立体图；
图5是实现多流道选通功能的微流控移动拼图模块配置示意图；
图6是实现多相流混合功能的微流控移动拼图模块配置示意图；
图7是实现微反应诱发功能的微流控移动拼图模块配置示意图。
图中：1-固定边框，2-上盖板，3-微流控拼图模块，4-密封边框，5-十字流道模块，6-直流道模块，7-T形流道模块，8-微反应腔室模块，9-流道转向模块。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本装置包括固定边框1、上盖板2、微流控拼图模块3和密封边框4；固定边框1与密封边框4固定连接形成封闭式矩形边框，封闭式矩形边框中两个相互平行的侧边均间隔开设有多个用于流通流体的凹槽，微流控拼图模块3通过封闭式矩形边框内侧面开设的的V形榫头及V形榫槽嵌合安装在封闭式矩形边框内，且限制微流控拼图模块3的移动，保证拼图装置具有较好的密封性。使得封闭式矩形边框中两个相互平行的侧边开设的凹槽通过微流控拼图模块3进行连通，上盖板2固定安装在封闭式矩形边框顶端面上，且上盖板2的端面上开设有多个通孔。
如图2及图3所示，微流控拼图模块3主要由十字流道模块5、直流道模块6、T形流道模块7、微反应腔室模块8和流道转向模块9中的一种或多种组成；十字流道模块5、直流道模块6、T形流道模块7、微反应腔室模块8和流道转向模块9根据自身开设的凹槽进行不同的排列组合形成具有不同流道的微流控拼图模块3。
十字流道模块5的顶端面中心部位开设有十字形凹槽，十字形凹槽是由两个分支凹槽垂直交叉构成，且十字形凹槽的两个分支凹槽分别平行于十字流道模块5的顶端面的任意两个相邻的边，且十字形凹槽的四端分别延伸至十字流道模块5的四个侧面。
直流道模块6的顶端面上开设有条形凹槽，且条形凹槽平行于直流道模块6的顶端面的任意一条边，且条形凹槽的两端分别延伸至直流道模块6的两个侧面。
T形流道模块7的顶端面上开设有T形凹槽，T形凹槽是由两个分支凹槽垂直相交构成，且T形凹槽的两个分支凹槽分别平行于T形流道模块7的顶端面的任意两个相邻的边，且T形凹槽的三端分别延伸至T形流道模块7的三个侧面。
微反应腔室模块8的顶端面开设有纺锤形凹槽，且纺锤形凹槽的中心轴线平行于微反应腔室模块8的顶端面的任意一条边，且纺锤形凹槽的两端分别延伸至微反应腔室模块8的两个侧面。
流道转向模块9的顶端面上开设有L形凹槽，且L形凹槽的两个分支凹槽分别平行于流道转向模块9的顶端面的任意两个相邻的边，且L形凹槽的两端分别延伸至流道转向模块9的两个相邻的侧面。
根据模块的排列方式进行如下判断：
如图5所示，若第一个流道转向模块9、第二个流道转向模块9、第一个直流道模块6、第二个直流道模块6、第三个流道转向模块9、第四个流道转向模块9和第三个直流道模块6依次榫卯连接，形成单条S型流道，且单条S型流道的两端分别连接到固定边框1的凹槽和密封边框4的凹槽，则形成具有流道选通功能的布局。
如图6所示，若第一个直流道模块6、第二个直流道模块6和第一个十字流道模块5依次榫卯连接，且在第一个十字流道模块5的两侧对称设置有连接方式相同的支路模块，形成Y型流道，支路模块为第一个流道转向模块9、第二个流道转向模块9、第三个流道转向模块9和第三个直流道模块6依次榫卯连接，且Y型流道的靠近密封边框4的两个端部分别连接到密封边框4的两个凹槽，Y型流道的靠近固定边框1的端部连接到固定边框1的凹槽，则形成具有多相流混合功能的布局。
如图7所示，若第一个直流道模块6、第一个微反应腔室模块8和第一个十字流道模块5依次榫卯连接，且在第一个十字流道模块5的两侧对称设置有连接方式相同的支路模块，且在第一个十字流道模块5远离第一个微反应腔室模块8的一端依次连接有第四个直流道模块6和第二个十字流道模块5，形成三叉戟型流道，且三叉戟型流道的靠近密封边框4的三个端部分别连接到密封边框4的三个凹槽，三叉戟型流道的靠近固定边框1的端部连接到固定边框1的凹槽，则形成具有微反应诱发功能的布局。
如图4所示，十字流道模块5、直流道模块6、T形流道模块7、微反应腔室模块8和流道转向模块9均为矩形柱结构，且十字流道模块5、直流道模块6、T形流道模块7、微反应腔室模块8和流道转向模块9各自两个相邻的侧面均加工为V形榫头，十字流道模块5、直流道模块6、T形流道模块7、微反应腔室模块8和流道转向模块9各自另外两个相邻的侧面均加工为V形榫槽。
上盖板2的多个通孔分别与封闭式矩形边框中两个相互平行的侧边开设的凹槽一一对应连通，使得封闭式矩形边框中两个相互平行的侧边开设的凹槽内的流体均通过上盖板2开设的通孔流入或流出。
优选的，固定边框1的两端端部均开设有榫头，密封边框4的两端端部分别开设有与固定边框1的两端的榫头相适应的榫槽，使得固定边框1与密封边框4进行榫卯连接。
优选的，封闭式矩形边框两个相邻的内侧面均加工为V形榫头，封闭式矩形边框另外两个相邻的侧面均加工为V形榫槽。
优选的，上盖板2为透明材料制成，以防止微流道内部的漏液以及实现微流控系统的高度可视化。
优选的，固定边框1、上盖板2和密封边框4均通过注塑成形的工艺进行制造。
因此，本发明实现了微流控系统的模块化定制与实时配置，鲁棒性强，操作简便，设备简单，精确度高。

Claims (8)

1.一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置，其特征在于：包括固定边框(1)、上盖板(2)、微流控拼图模块(3)和密封边框(4)；所述固定边框(1)与密封边框(4)固定连接形成封闭式矩形边框，所述封闭式矩形边框中两个相对称的侧边均间隔开设有多个用于流通流体的凹槽，所述微流控拼图模块(3)通过封闭式矩形边框内侧面开设的的V形榫头及V形榫槽嵌合安装在封闭式矩形边框内，使得封闭式矩形边框中两个相互平行的侧边开设的凹槽通过微流控拼图模块(3)进行连通，所述上盖板(2)固定安装在封闭式矩形边框顶端面上，且所述上盖板(2)的端面上开设有多个通孔。
2.根据权利要求1所述的一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置，其特征在于：所述微流控拼图模块(3)主要由十字流道模块(5)、直流道模块(6)、T形流道模块(7)、微反应腔室模块(8)和流道转向模块(9)中的一种或多种组成；所述十字流道模块(5)、直流道模块(6)、T形流道模块(7)、微反应腔室模块(8)和流道转向模块(9)进行不同的排列组合形成具有不同流道的微流控拼图模块(3)；
所述十字流道模块(5)的顶端面中心部位开设有十字形凹槽，所述十字形凹槽是由两个分支凹槽垂直交叉构成，且十字形凹槽的两个分支凹槽分别平行于十字流道模块(5)的顶端面的任意两个相邻的边，且十字形凹槽的四端分别延伸至十字流道模块(5)的四个侧面；
所述直流道模块(6)的顶端面上开设有条形凹槽，且条形凹槽平行于直流道模块(6)的顶端面的任意一条边，且条形凹槽的两端分别延伸至直流道模块(6)的两个侧面；
所述T形流道模块(7)的顶端面上开设有T形凹槽，所述T形凹槽是由两个分支凹槽垂直相交构成，且T形凹槽的两个分支凹槽分别平行于T形流道模块(7)的顶端面的任意两个相邻的边，且T形凹槽的三端分别延伸至T形流道模块(7)的三个侧面；
所述微反应腔室模块(8)的顶端面开设有纺锤形凹槽，且纺锤形凹槽的中心轴线平行于微反应腔室模块(8)的顶端面的任意一条边，且纺锤形凹槽的两端分别延伸至微反应腔室模块(8)的两个侧面；
所述流道转向模块(9)的顶端面上开设有L形凹槽，且L形凹槽的两个分支凹槽分别平行于流道转向模块(9)的顶端面的任意两个相邻的边，且L形凹槽的两端分别延伸至流道转向模块(9)的两个相邻的侧面。
3.根据权利要求2所述的一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置，其特征在于：所述十字流道模块(5)、直流道模块(6)、T形流道模块(7)、微反应腔室模块(8)和流道转向模块(9)均为矩形柱结构，且十字流道模块(5)、直流道模块(6)、T形流道模块(7)、微反应腔室模块(8)和流道转向模块(9)各自两个相邻的侧面均加工为V形榫头，所述十字流道模块(5)、直流道模块(6)、T形流道模块(7)、微反应腔室模块(8)和流道转向模块(9)各自另外两个相邻的侧面均加工为V形榫槽。
4.根据权利要求1所述的一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置，其特征在于：所述上盖板(2)的多个通孔分别与封闭式矩形边框中两个相互平行的侧边开设的凹槽一一连通，使得封闭式矩形边框中两个相互平行的侧边开设的凹槽内的流体均通过上盖板(2)开设的通孔流入或流出。
5.根据权利要求1所述的一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置，其特征在于：所述固定边框(1)的两端端部均开设有榫头，所述密封边框(4)的两端端部分别开设有与固定边框(1)的两端的榫头相适应的榫槽，使得固定边框(1)与密封边框(4)进行榫卯连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置，其特征在于：所述封闭式矩形边框两个相邻的内侧面均加工为V形榫头，所述封闭式矩形边框另外两个相邻的侧面均加工为V形榫槽。
7.根据权利要求1所述的一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置，其特征在于：所述上盖板(2)为透明材料制成。
8.根据权利要求1所述的一种基于光固化成形的可重构微流控移动拼图装置，其特征在于：所述固定边框(1)、上盖板(2)和密封边框(4)均通过注塑成形的工艺进行制造。
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