一种自循环微流控芯片及其制备方法和用途与流程

本发明属于微流体输送技术领域，尤其涉及一种自循环微流控芯片及其制备方法和用途。

背景技术：

微流控芯片由于其所需样品体积小、检测效率高、使用成本低等特点已经在生物领域得到了广泛的应用。随着对生物微流控芯片向多功能集成化方向发展，尤其是对生物细胞实现动态培养的需求，使得微流控芯片必须具备无外接设备泵阀的芯片自驱动功能。而现有的驱动泵多数都是需要庞大的外接设备源，无法实现芯片的方便式携带，且与设备源的安装都较为复杂。

目前驱动微流体比较普遍的是使用机械式微泵，其驱动力比较大，响应速度比较快，是微流控领域应用的主流。但是机械式微泵因其结构复杂难以微型化，并且其驱动方式存在单向阀和动态密封的微渗漏问题，可移动部件由于长期使用会出现磨损，材料如果出现疲劳更加重了微渗漏的现象，难以精确输送微升以及微升以下级别的流体。而且流体的输运会出现不连续、脉动等问题。

针对以上问题，很多企业和科研单位开始转向研究非机械式微泵，即如何将非机械能转变为微流体的动能。基于这样的想法，国外的很多科研工作者开始应用电渗流理论来制作性能稳定的电渗泵。电渗泵很好的克服了机械式微泵的一系列缺点，且通过改变电压和频率可以精确控制流体的流量，实现泵阀一体化。通过大量调研，目前市面上产业化的电渗泵较少，而早期的直流电渗泵由于其工作电压高，工作时会产生大量的焦耳热，溶液在对电极表面还会产生大量的气泡，同时金属材料制造电极会与溶液发生电解反应，造成电极的消耗和溶液的变性，这对微流控芯片的集成化和泵的安全性都造成了一系列的问题。

技术实现要素：

本发明主要目的是克服现有技术的不足，提供一种通过交流电渗驱动原理实现自循环的微流控芯片及其制备方法和用途，该微流控芯片具备体积小、便携、稳定性好、集成度高、结构牢固、制作工艺简单易行等优点。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种自循环微流控芯片，包括自上而下的微流体层、电渗驱动层以及芯片基底层，所述电渗驱动层分别与微流体层和芯片基底层限定出相互独立的微流体流道和宽/窄电极液态金属流道，在微流体流道和宽/窄电极液态金属流道中分别灌注有待驱动溶液和液态金属，其中所述电渗驱动层和宽/窄电极液态金属流道均呈叉指状，且所述电渗驱动层的下表面完全覆盖宽/窄电极液态金属流道，电渗驱动层的上表面裸露在微流体流道中，宽/窄电极液态金属流道的两端分别通过四个金属电极与电源连通。宽电极液体金属流道中的液态金属和窄电极液体金属流道中的液态金属将使其表面的电渗驱动层发生极化，从而使与电渗驱动层接触的溶液产生感生电荷，所述感生电荷与电渗驱动层的电荷形成双电层。在外界电场的作用下，感生电荷层受到库仑力的作用，使电荷发生定向移动，从而拖动溶液向固定方向移动，形成电渗流，从而构成动态的自循环微流体系统。

作为本发明改进的技术方案，所述电渗驱动层主要由pdms与碳材料复合而成。采用pdms与碳材料复合，既可以使电渗驱动层具备导电性，又使电渗驱动层能够更好地与微流体层和芯片基底层键合。

进一步地，所述碳材料包括石墨烯、碳纳米管、多孔碳、碳纤维中的一种或多种。

优选地，所述碳材料的用量为pdms用量的2％wt～40％wt。当碳材料过少时，pdms与碳材料复合后导电性较差；当碳材料过多时，pdms与碳材料复合后的整体结构脆弱、易崩裂、不易二次加工；且当碳材料与pdms的比例限定在该范围时，在溶液靠近电渗驱动层一侧不易产生气泡。

作为本发明改进的技术方案，所述在电渗驱动层靠近微流道的一侧覆盖有碳材料。该碳材料具备较高的比表面积，可以增大电荷储存量，从而增大电渗驱动效率。

优选地，所述碳材料的厚度为1～5μm。

作为本发明改进的技术方案，所述宽电极区的电渗驱动层的宽度为10～200μm，所述窄电极区的电渗驱动层的宽度为5～50μm，一对叉指状宽电极区和窄电极区的电渗驱动层的间距为5～50μm，两个相邻电极对的间距为10～50μm。

作为本发明改进的技术方案，所述液态金属流道采用回形叉指流道或/和单排叉指流道。

优选地，所述宽电极液体金属流道的宽度为5～80μm，所述窄电极液体金属流道的宽度为1～20μm。

作为本发明改进的技术方案，所述微流体流道包括细胞培养池，在细胞培养池中设置有柱状阵列。

优选地，所述柱状阵列的微柱间隙为3～13μm。

进一步地，所述微流道设计成环形封闭式，在细胞培养池两侧设置有细胞悬液灌入孔。

为了制备上述结构的自循环微流控芯片，本发明采用了如下方法：(1)利用pdms制备微流体层和芯片基底层，(2)利用pdms和碳复合在一起制备电渗驱动层，(3)将微流体层、电渗驱动层和芯片基底层按照从上而下的顺序键合在一起，(4)在宽/窄电极液态金属流道两端制出四个液态金属灌入孔，在微流体流道中制出微流体灌入孔，(5)将液态金属和微流体灌入液态金属流道和微流体流道中，(6)将四根金属电极插入液态金属灌入孔，然后与电源连通。

作为本发明改进的技术方案，本发明的电渗驱动层采用如下方法制成：利用pdms、固化剂及碳材料混合在一起后浇筑在带叉指图案的硅片上，将与硅片的对应的面刮平，然后固化成型，再利用激光刻蚀掉不需要的区域，制得电渗驱动层，所述电渗驱动层的俯视图为宽电极区和窄电极区相互独立的叉指状结。

替代地，所述电渗驱动层采用如下方法制成：首先利用pdms制备出带叉指状宽/窄电极液态金属流道的芯片基层，然后将pdms、固化剂及碳材料混合均匀后，装入挤压式3d打印机中，让3d打印机喷头沿着宽电极液态金属流道和窄电极液态金属流道上部扫描，使得混合物完全覆盖液态金属流道的上表面，固化成型，制得电渗驱动层。

优选地，所述碳材料的用量为pdms用量的2～40％wt，所述固化剂为pdms用量的5～20％wt。

作为本发明改进的技术方案，在固化成型前，先在未固化的混合物表面覆盖一层碳材料。

本发明还提供上述自循环微流控芯片的用途，主要用于动态环境下的细胞培养、细胞检测、细胞筛选或模拟血液在血管内的流动等体内模型。当用于细胞在微流控芯片上的动态环境下的培养时，可以实现流速、流动方向的无极可调，在流动的液体中观察细胞的生长状态。

与现有技术相比，本发明具备如下技术效果：

1.本发明应用电渗驱动理论制作无极可调电渗泵，驱动过程中电渗流运动无脉动现象，流体运动连续。通过调节输入电压的大小、频率和切换电压方向可以改变驱动液体的流量和流动方向，整个装置没有运动部件，没有磨损现象，稳定性好。同时交流电相对于直流电可以实现很小电压的驱动，不会产生大量的焦耳热，对细胞影响较小。

2.本发明采用了叉指电极结构，内部导电电极采用液态金属进行灌注或采用真空吸入金属液体的方法，制作方法简易，可以实现很细微的导线布置。

3.本发明将微纳米加工技术与3d打印技术相结合，使一些高深宽比的微结构可以通过直接挤压的方式转移到微型结构之上，避免了微纳米加工高深宽比结构成型的一些缺陷。

4.电渗驱动层采用pdms与碳材料复合，使得pdms具备一定的导电性，且更易于与pdms制备的微流体层和芯片基底层牢固地键合在一起。当其表面粘附一层碳材料，可以更好地与溶液形成双电层，存储更多的电荷，提升泵的输出效率，且该装置不易和溶液发生反应，不会损耗电极材料，不会改变溶液的组分。

5.电渗驱动区与细胞培养区位置相互分离，电流不会通过细胞，减少电流对细胞的影响。

附图说明

图1为微流控芯片的整体结构图；

图2为微流控芯片的结构爆炸图；

图3激光刻蚀电渗驱动层的示意图；

图4为3d打印电渗驱动层的示意图；

图5为自循环微流控芯片工作区域的透视图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员清楚明了地理解本发明，现结合具体实施方式和附图，对本发明进行详细介绍。

名词解释：电渗驱动层2是指能够使微流体流道中的溶液发生感生电荷的导电材料层。其可以为pdms-碳复合材料，也可以由其它一些具备导电性能的材料制成，例如超级电容器中用到的正/负极材料、pdms-ag复合材料。

液态金属流道包括宽电极液态金属流道203和窄电极液态金属流道204。宽/窄电极液态金属流道(203/204)是指宽电极液态金属流道203或/和窄电极液态金属流道204的简称。

pdms-碳复合材料208是指由pdms与碳复合在一起的材料，可以是物理共混，也可以是利用碳材料化学改性pdms从而使pdms产生导电性制得。

pdms：聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)

实施例1

如图1和图2所示，本发明的自循环微流控芯片包括自上而下的微流体层1、电渗驱动层2以及芯片基底层3。所述电渗驱动层2分别与微流体层1和芯片基底层3限定出相互独立的微流体流道和宽/窄电极液态金属流道(203/204)。在微流体流道和宽/窄电极液态金属流道(203/204)中分别灌注有待驱动溶液和液态金属。其中所述电渗驱动层2和宽/窄电极液态金属流道(203/204)均呈叉指状，且所述电渗驱动层2的下表面完全覆盖宽/窄电极液态金属流道(203/204)，电渗驱动层2的上表面裸露在微流体流道中。在宽/窄电极液态金属流道(203/204)的两端分别通过四个金属电极4与交流电源6输出端口连通。交流电源6的频率范围在10-40khz,电压范围在5-100vpp。优选地，交流电源6可以pcb板为底板，其上集成有直流变交流微型转化模块，与微流控芯片基底层3进行组装，由微型锂离子电池进行供电(图中未示出)。

其中，所述宽电极区205的电渗驱动层2的宽度为10～200μm，所述窄电极区206的电渗驱动层2的宽度为5～50μm，一对叉指状宽电极区205和窄电极区206的电渗驱动层2的间距为5～50μm，两个相邻电极对(205/206)的间距为10～50μm。所述液态金属流道(203/204)采用回形叉指流道或/和单排叉指流道。所述宽电极液态金属流道203的宽度为5～80μm，所述窄电极液态金属流道204的宽度为1～20μm。

当本发明的微流控芯片用于细胞动态培养时，可将微流体流道设计成环形封闭式，微流体流道中设置有细胞培养池101，在细胞培养池101中设置有柱状阵列构成的堤坝103，柱状阵列的微柱间隙为3～13μm。在细胞培养池101两侧设置有细胞悬液灌入区102。将细胞悬液通过灌入区102灌入微流体流道，再将电源6的正负极分别通到金属电极4上，调节电压和频率，液体开始驱动，细胞悬液沿着某一个方向开始移动，当细胞通过细胞培养池101时，细胞被培养池101中的堤坝103拦截，细胞在堤坝103表面聚积，而培养液则可通过堤坝103的缝隙进行移动。由此，细胞在细胞培养池101进行贴壁生长。持续供电，可使细胞处于动态培养的状态。

实施例2

微流体层1的制备工艺如下：将pmds胶体20g与固化剂2g进行混合，在行星混料机中旋转1min，然后将混合好的pdms液体胶放入真空干燥皿中进行抽真空10min，将制作好的有图案的硅片先放入铺有铝箔纸的培养皿，保证硅片放置水平。之后再放入一个避光玻璃皿当中，滴入三甲基氯硅烷溶液2滴，熏蒸2min后取出。将配制好的pdms液态胶体浇筑在有图形的硅片上，再放入真空干燥皿中抽真空10min，取出后放入85℃烘箱中烘烤30min。取出固化后的pdms按照图案的边线进行切割，微流体层1的平面尺寸为5cm×2cm，用打孔器在相应的宽电极液态金属流道203、窄电极液态金属流道204和微流体灌入区102分别打穿直径为1mm的通孔。

电渗驱动层2的制备工艺如下：将pdms胶体20g与氯仿100ml进行互溶，搅拌10min。将羧基化多壁碳纳米管粉末1.8g与多孔碳粉末1g进行混合，在研钵内研磨10min，倒入到氯仿100ml当中。在40khz超声清洗机内进行超声搅拌1h。取出后将该溶液与之前配制的pdms/氯仿溶液进行混合，放入40khz超声清洗机超声搅拌2h。取出后，在80℃加热板上进行烘烤8h，直至溶剂形成胶体状态。再将配制好的溶液放入到60℃真空烘箱烘烤2h。将该浆料涂附在铝箔之上，用刮刀刮平，放入三辊研磨机内进行滚压，滚压好后将材料重新从铝箔纸上刮下来放入试剂瓶中。在浆料内加入2g固化剂溶液，在行星混料机中旋转1min，将该混合溶液放入真空干燥皿进行抽真空处理，10min后取出。将制作好的带叉指状图案的硅片先放入铺有铝箔纸的培养皿，保证硅片放置水平。之后再放入一个避光玻璃皿当中，滴入三甲基氯硅烷溶液2滴，熏蒸2min后取出。将配制好的混合溶液涂在硅片上，用刮刀对上表面进行刮平处理。放入85℃烘箱中烘烤30min，使pdms固化。固化完成后的半成品，其紧贴硅片的一侧具备叉指状宽/窄电极沟渠，当该半成品与平面的芯片基底键合在一起后，可构成叉指状宽/窄电极液态金属流道(203/204)。将上述半成品进行激光切割，去掉不需要的部分，使得半成品被分为相互独立的电渗驱动层2的宽/窄电极区(205/206)，如图3所示。所述电渗驱动层2的宽/窄电极区(205/206)从上往下看，能够看到清晰的叉指状结构。在叉指结构上进行在液态金属灌入区域207的4个对应位置打通孔径为1mm孔洞。

芯片基底层3的制备工艺如下：利用pdms胶体采用微流体层1的制备工艺制作一个恰能容纳电渗驱动层2的矩形框301，然后与玻璃键合在一起，构成芯片基底层3。或者采用pdms胶体采用微流体层1的制备工艺制作出一个恰能容纳电渗驱动层2的矩形槽，直接作为芯片基底层3。

组装：将芯片基底层3、电渗驱动层2和微流体层1放入等离子清洗机，通入氧气，等离子清洗20s。取出后将电渗驱动层2下部与芯片基底层3上部组装在一起，将微流体层1的下部与电渗驱动层2上部进行贴合，将孔进行对齐。贴合好后放入85℃烘箱烘烤30min，键合完毕。

灌液：将外径为1mm，内径0.5mm的由银制作的4个中空芯金属电极4插入到之前制作好的微流体层1上的4个通孔，插到底部，将金属镓加热到40℃，用接胶管的注射器通入金属电极4，使其充满叉指电极区的流道内。其中，使用点胶机将硅橡胶对微流体层1上部与金属电极4接触部位进行密封。电渗驱动层2的金属灌注方式，如果采用非回形叉指流道设计，需要将芯片放入真空塑封袋中，再由真空塑封机进行抽真空处理，这里的真空的绝对压力范围在0.1-0.5mpa之间。真空静置24h后拆开塑封袋，将液态金属浇筑到中空的金属电极4内。由于pdms通气特性，在材料内部存在一定的负压，金属液体会充满整个电渗驱动工作区的叉指流道内。

使用：所述芯片基底层3中的宽/窄电极液态金属叉指结构分别通过金属电极4接通交流电源6输出的两个端口。交流电源6的频率范围在20khz,电压范围在50vpp。微流体的流速为0.3μm/s，连续通电1天后无气泡产生，电极未有与溶液发生反应。

实施例3

实施例3与实施例2基本相同，不同之处在于电渗驱动层2的制备工艺,具体如下：

将pdms胶体20g与氯仿100ml进行互溶，搅拌10min。将羧基化多壁碳纳米管粉末1.8g与多孔碳粉末1g进行混合，在研钵内研磨10min，倒入到氯仿100ml当中。在40khz超声清洗机内进行超声搅拌1h。取出后将该溶液与之前配制的pdms/氯仿溶液进行混合，放入40khz超声清洗机超声搅拌2h。取出后，在80℃加热板上进行烘烤8h，直至溶剂形成胶体状态。再将配制好的溶液放入到60℃真空烘箱烘烤2h。将该浆料涂附在铝箔之上，用刮刀刮平，放入三辊研磨机内进行滚压，滚压好后将材料重新从铝箔纸上刮下来放入试剂瓶中。在浆料内加入2g固化剂溶液，在行星混料机中旋转1min，将该混合溶液放入真空干燥皿进行抽真空处理，10min后取出。将制作好的带叉指状图案的硅片先放入铺有铝箔纸的培养皿，保证硅片放置水平。之后再放入一个避光玻璃皿当中，滴入三甲基氯硅烷溶液2滴，熏蒸2min后取出。将配制好的混合溶液涂在硅片上，用刮刀对上表面进行刮平处理，再在其上表面覆盖一层碳纤维，碳纤维的厚度为控制在5μm，接着放入85℃烘箱中烘烤30min，使pdms固化。固化完成后的半成品，其紧贴硅片的一侧具备叉指状宽/窄电极沟渠，当该半成品与平面的芯片基底键合在一起后，可构成叉指状宽/窄电极液态金属流道(203/204)。将上述半成品进行激光切割，去掉不需要的部分，使得半成品被分为相互独立的电渗驱动层2的宽/窄电极区(205/206)。所述电渗驱动层2的宽/窄电极区(205/206)从上往下看，能够看到清晰的叉指状结构。在叉指结构上进行在液态金属灌入区域207的4个对应位置打通孔径为1mm孔洞。

使用：所述芯片基底层3中的宽/窄电极液态金属叉指结构分别通过金属电极4接通交流电源6输出的两个端口。交流电源6的频率范围在20khz,电压范围在50vpp。微流体的流速为0.5μm/s，连续通电1天后无气泡产生。

实施例4

微流体层1的制备工艺同实施例2。

芯片基底层3的制备：将pdms胶体10g与固化剂1g进行混合，在行星混料机中旋转1min，然后将pdms液体胶放入真空干燥皿中进行抽真空10min，将制作好的有叉指状图案的硅片先放入铺有铝箔纸的培养皿，保证硅片放置水平。之后再放入一个避光玻璃皿当中，滴入三甲基氯硅烷溶液2滴，熏蒸2min后取出，得到光刻好的硅片。将pdms倒在光刻好的硅片上，放入烘箱烘烤30min。取出后进行切割，得到带叉指状宽/窄电极沟渠的芯片基底层3。其外围尺寸为5cm×2cm。

电渗驱动层2的制备工艺：取pdms胶体、导电炭黑、固化剂按照10:4:1的比例进行混合，放入行星混料机内进行混合，混合均匀后的浆料倒入挤压式3d打印机内。3d打印机喷头沿着宽电极液态金属流道以及窄电极液态金属流道的上部进行扫描，扫描速度设定在0.5mm/s，挤压压力为500psi，浆料覆盖在宽电极液态金属流道与窄电极液态金属流道上部，与芯片基底层3的流道叉指状宽/窄电极沟渠的三个面形成封闭通道，如图4所示。宽电极区打印的层高为8层，厚度为300μm，窄电极区的层高为16层，厚度为60μm。待pdms固化后，电渗驱动层2即制作完毕。在叉指结构上进行在液态金属灌入区域207的4个对应位置打通孔径为1mm孔洞。

组装：将已结合在一起的芯片基底层3、电渗驱动层2的组合体与微流体层1放入等离子清洗机，通入氧气，等离子清洗20s。取出后将微流体层1的下部与电渗驱动层2上部进行贴合，将孔进行对齐。贴合好后放入85℃烘箱烘烤30min，键合完毕。

灌液同实施例2。

使用：所述芯片基底层3中的宽/窄电极液态金属叉指结构分别通过金属电极4接通交流电源6输出的两个端口。交流电源6的频率范围在20khz,电压范围在50vpp。微流体的流速为0.35μm/s，连续通电1天后无气泡产生，电极没有跟溶液发生反应。

实施例5

本实施例与实施例4的不同之处在于电渗驱动层2的制备工艺：

取pdms胶体、导电炭黑、固化剂按照10:2:0.5比例进行混合，放入行星混料机内进行混合，混合均匀后的浆料倒入挤压式3d打印机内。3d打印机喷头沿着宽电极液态金属流道以及窄电极液态金属流道的上部进行扫描，扫描速度设定在0.5mm/s，挤压压力为500psi，浆料覆盖在宽电极液态金属流道与窄电极液态金属流道上部，与芯片基底层3的流道叉指状宽/窄电极沟渠的三个面形成封闭通道。宽电极区打印的层高为8层，厚度为300μm，窄电极区的层高为16层，厚度为60μm。用激光在聚酰亚胺薄膜上进行石墨烯转化，用该图样附贴在打印好的浆料之上，这样在打印好的宽/窄电极区上附着了一层5μm厚的石墨烯粉末。待pdms固化后，电渗驱动层2即制作完毕。在叉指结构上进行在液态金属灌入区域207的4个对应位置打通孔径为1mm孔洞。

使用：所述芯片基底层3中的宽/窄电极液态金属叉指结构分别通过金属电极4接通交流电源6输出的两个端口。交流电源6的频率范围在10khz,电压范围在5vpp。微流体的流速为0.5μm/s，连续通电1天后无气泡产生，电极没有跟溶液发生反应。

实施例6

本实施例与实施例4的不同之处在于电渗驱动层2的制备工艺：

取pdms胶体、多孔碳、固化剂按照10:2:2比例进行混合，放入行星混料机内进行混合，混合均匀后的浆料倒入挤压式3d打印机内。3d打印机喷头沿着宽电极液态金属流道以及窄电极液态金属流道的上部进行扫描，扫描速度设定在0.5mm/s，挤压压力为500psi，浆料覆盖在宽电极液态金属流道与窄电极液态金属流道上部，与芯片基底层3的流道叉指状宽/窄电极沟渠的三个面形成封闭通道。宽电极区打印的层高为8层，厚度为300μm，窄电极区的层高为16层，厚度为60μm。用激光在聚酰亚胺薄膜上进行石墨烯转化，用该图样附贴在打印好的浆料之上，这样在打印好的宽/窄电极区上附着了一层1μm厚的石墨烯粉末。待pdms固化后，电渗驱动层2即制作完毕。在叉指结构上进行在液态金属灌入区域207的4个对应位置打通孔径为1mm孔洞。

使用：所述芯片基底层3中的宽/窄电极液态金属叉指结构分别通过金属电极4接通交流电源6输出的两个端口。交流电源6的频率范围在40khz,电压范围在100vpp。微流体的流速为0.38μm/s，连续通电1天后无气泡产生，电极没有跟溶液发生反应。

显然，上述实施例仅仅是为了清楚地说明所作的举例，而非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。只要是在本发明实施例基础上做出的常识性的改动方案，都处于本发明的保护范围之中。