一种流体剪切力生成装置与流体剪切力生成方法

摘要

本发明涉及微流控芯片领域，本发明公开了一种流体剪切力生成装置与流体剪切力生成方法，其中装置包括装置主体，装置主体上设置有主流道与至少两条分支流道，主流道的两端设置有流体入口与主流道流体出口，分支流道的一端与主流道连通，另一端设有分支流道流体出口，分支流道内设有阀门，通过控制阀门的闭合程度调节该分支流道内可供流体通过的截面积。本发明利用主流道、分支流道和阀门的配合，可以在不改变输入流体流速与装置结构的情况下实现流体剪切力大小与比值的动态变化。同时，本发明可以极大的扩展首级与末级分支流道中流体剪切力的比值范围，并且可以覆盖范围内任意一点的比值，本发明结构简单，易于推广实现。

权利要求

1.一种基于微流控芯片的流体剪切力生成装置，其特征在于，包括装置主体，所述装置主体上设置有主流道与至少两条分支流道，所述主流道的一端设置有流体入口，所述主流道的另一端设置有主流道流体出口，所述分支流道的一端与所述主流道连通，另一端设有分支流道流体出口，所述分支流道内设有阀门，通过控制所述阀门的闭合程度以调节该分支流道内可供流体通过的截面积。

2.根据权利要求1所述的流体剪切力生成装置，其特征在于，所述阀门包括构成所述分支流道的流道壁的弹性膜片，以及向所述弹性膜片施加压力以使其向流道内部凹陷的加压装置。

3.根据权利要求2所述的流体剪切力生成装置，其特征在于，所述加压装置沿单侧方向向所述弹性膜片施压。

4.根据权利要求2所述的流体剪切力生成装置，其特征在于，所述加压装置沿所述分支流道的周向向所述弹性膜片施压。

5.根据权利要求1所述的流体剪切力生成装置，其特征在于，所述阀门包括构成所述分支流道的流道壁的具有磁性的弹性膜片，以及向所述弹性膜片施加磁场以吸引其向流道内部凹陷的磁性装置。

6.根据权利要求1所述的流体剪切力生成装置，其特征在于，所述阀门包括注入所述分支流道内的磁珠，以及向所述磁珠施加磁场以使其在所述分支流道内的流道壁上堆积的磁性装置。

7.根据权利要求1所述的流体剪切力生成装置，其特征在于，所述分支流道包括位于所述阀门至所述分支流道与所述主流道连通处之间的入口区域，以及设于所述阀门至所述分支流道流体出口之间的剪切力调节区域。

8.根据权利要求1所述的流体剪切力生成装置，其特征在于，各所述阀门独立调节，或者同步调节。

9.一种基于微流控芯片的流体剪切力生成方法，包括以下步骤，

S10设置具有流体入口与主流道流体出口的主流道，并设置与所述主流道连通的至少两条分支流道，所述分支流道具有分支流道流体出口；

S20在各分支流道内设置可调节该分支流道截面积的阀门；

S30通过所述流体入口向所述主流道内注入流体，并通过调节各所述阀门的闭合程度，以调节各所述分支流道内剪切力的大小与比值。

10.根据权利要求9所述的流体剪切力生成方法，其特征在于，在各所述阀门调节完毕之后，调节所述主流道内的流体流速，以在各所述分支流道内的剪切力比值保持不变的情况下调节剪切力的大小。

说明书

一种流体剪切力生成装置与流体剪切力生成方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微流控芯片领域，尤其是涉及一种可以实现流道内流体剪切力大范围、动态调节的流体剪切力生成装置，以及流体剪切力生成方法。

背景技术

[0002] 人体内分布着复杂的血管系统，直径从几微米到几厘米不等。血液流动在静脉和动脉血管内形成的流体剪切力分别约为0.7-9dyn/cm2和20-70dyn/cm2。在狭窄的动脉血管中剪切力有时会超过450dyn/cm2。血液流动剪切力与人体内一系列复杂的生物过程密切相关。在体外模型中模拟这一复杂的剪切力环境对内皮细胞功能、心血管疾病和血栓等的研究具有重要意义。

[0003] 早在上世纪80年代，平行板流动腔和锥板粘度计剪切力装置，就用于研究剪切力对内皮细胞的影响以及血栓形成。随着微流体技术的发展，微流控芯片可以利用内部集成的微阀门或者外部的注射器泵产生连续或者脉动的流体剪切力，用于更加精确的模拟血液流动形成的剪切力，以深入研究内皮细胞的形态变化、渗透性、蛋白表达以及跨内皮电阻等。也有人利用微流控芯片模拟狭窄血管和血栓通的形成。此外，微流体剪切力装置还可以被用于评估抗压药物的效果。这些研究极大地推动了内皮细胞基础研究、血栓形成和治疗研究，对心血管研究和治疗具有重要作用。

[0004] 现有基于微流控芯片的剪切力生成装置主要采用主动和被动两种方式生成变化的流体剪切力。主动方式主要是靠改变入口液体流速，以改变整个芯片上所有流道内的剪切力。被动方式是在芯片上预先设计好不同长度或宽度的管道，当液体流入不同管道时，在其内部生成相应的剪切力。以上方法，简单宜行，但是具有很大的局限性，例如[0005] (1)在不改变输入流体速度的情况下，现有的剪切力生成装置中各个流道内的流体剪切力的大小是固定的，无法进行动态调节。

[0006] (2)不同流道内流体剪切力的比值是固定不变的(呈线性分布)，在不改变芯片设计的前提下，无法动态调节各流道内流体剪切力的比值。

[0007] (3)无法产生涵盖人体血管系统内所有的流体剪切力。

[0008] 因此，现有微流控装置很难精确模拟人体血管系统内复杂的、大范围的流体剪切力环境。

发明内容

[0009] 为了克服现有技术的不足，本发明提出一种流体剪切力生成装置与流体剪切力生成方法，用于解决现有的剪切力生成装置1)无法模拟人体所有血管内部流体剪切力的大小和2)在不改变输入流体速度的情况下，无法动态调节各个流道内流体剪切力的大小与比值的问题。

[0010] 本发明解决其技术问题所采用的方案是：

[0011] 一种流体剪切力生成装置，包括装置主体，装置主体上设置有主流道与至少两条分支流道，主流道的两端设置有流体入口与主流道流体出口，分支流道的一端与主流道连通，另一端设有分支流道流体出口，分支流道内设有阀门，通过控制阀门的闭合程度调节该分支流道内可供流体通过的截面积。

[0012] 作为上述方案的进一步改进方式，阀门包括构成分支流道的流道壁的弹性膜片，以及向弹性膜片施加压力以使其向流道内部凹陷的加压装置。

[0013] 作为上述方案的进一步改进方式，加压装置沿单侧方向向弹性膜片施压。

[0014] 作为上述方案的进一步改进方式，加压装置沿分支流道的周向向弹性膜片施压。

[0015] 作为上述方案的进一步改进方式，阀门包括构成分支流道的流道壁的具有磁性的弹性膜片，以及向弹性膜片施加磁场以吸引其向流道内部凹陷的磁性装置。

[0016] 作为上述方案的进一步改进方式，阀门包括注入分支流道内的磁珠，以及向磁珠施加磁场以使其在分支流道内的流道壁上堆积的磁性装置。

[0017] 作为上述方案的进一步改进方式，分支流道包括位于阀门至分支流道与主流道连通处之间的入口区域，以及设于阀门至分支流道流体出口之间的剪切力调节区域。

[0018] 作为上述方案的进一步改进方式，各所述阀门独立调节，或者同步调节。

[0019] 一种流体剪切力生成方法，包括以下步骤，

[0020] S10设置具有流体入口与主流道流体出口的主流道，并设置与主流道连通的至少两条分支流道，分支流道具有分支流道流体出口；

[0021] S20在各分支流道内设置可调节该分支流道截面积的阀门；

[0022] S30通过流体入口向主流道内注入流体，并通过调节各阀门的闭合程度，以调节各分支流道内剪切力的大小与比值。

[0023] 作为上述方案的进一步改进方式，在各阀门调节完毕之后，调节主流道内的流体流速，以在各分支流道内的剪切力比值保持不变的情况下调节剪切力的大小。

[0024] 本发明的有益效果是：

[0025] 本发明利用主流道、分支流道和阀门的配合，可以在不改变输入流体流速与装置结构的情况下实现流体剪切力大小与比值的动态变化。同时，本发明可以极大的扩展首级与末级分支流道中流体剪切力的比值范围，并且可以覆盖范围内任意一点的比值，本发明结构简单，易于推广实现。

附图说明

[0026] 下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

[0027] 图1是本发明一个实施例的正视图；

[0028] 图2是本发明主流道与分支流道的类比电阻示意图；

[0029] 图3是本发明各分支流道剪切力比值的第一实施例波形示意图；

[0030] 图4是本发明各分支流道剪切力比值的第二实施例波形示意图；

[0031] 图5是本发明各分支流道剪切力比值的第三实施例波形示意图；

[0032] 图6是本发明各分支流道剪切力比值的第四实施例波形示意图；

[0033] 图7是本发明阀门第一实施例的示意图；

[0034] 图8是本发明阀门第二实施例的示意图；

[0035] 图9是本发明阀门第三实施例的示意图；

[0036] 图10是本发明阀门第四实施例的示意图。

具体实施方式

[0037] 以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0038] 需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

[0039] 此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

[0040] 参照图1，示出了本发明一个实施例的正视图。如图所示，流体剪切力生成装置包括未显示的装置主体，装置主体上设置有主流道100与至少两条分支流道200，主流道100的两端设置有流体入口101与主流道流体出口102，分支流道200的一端与主流道100连通，另一端设有分支流道流体出口201。优选地，本实施例中分支流道200设置于主流道100的同一侧且相互平行。

[0041] 其中，本发明在各分支流道200内设置有可调节该分支流道200内可供流体通过的截面积的阀门300，阀门300将分支流道200分隔为两个区域，分别为位于阀门300至分支流道200与主流道100连通处之间的入口区域202，以及设于阀门300至分支流道流体出口201之间的剪切力调节区域203。通过独立或者同步地控制各阀门300，可以调节各阀门300处的分支流道200的截面积，进而动态地调整各分支流道200的剪切力，且极大地扩展剪切力的变化范围，其中本发明的实现原理如下：

[0042] 参照图2，示出了本发明主流道与分支流道的类比电阻示意图。如图所示，主流道与分支流道可近似看作图中所示的类比电路，其中，将流道的流阻类比为电子电路中的电阻，Rm表示每个分支流道200与主流道100连接处之间的主流道流阻，Rs表示入口区域202的流阻，Rv表示阀门300的流阻，Rc表示剪切力调节区域203的流阻。

[0043] 其中，对于非阀门区域，流道截面为矩形(h

[0044]

[0045] 计算求得。其中μ代表流体的动态粘度，L代表流道长度，w代表流道宽度，h代表流道高度。基于上述，可知当流体动态粘度保持不变的情况下，截面面积不发生变化的非阀门区域的流阻为定值。

[0046] 对于阀门区域，阀门300的流阻Rv则由阀门变形程度决定，对于有数个分支流道的微流道(假设分值流道总数是n)，可以从流道的最后一个分叉处计算出流量Qn。从该分叉流出的液体分为两个分流，一个流向出口，另一个流向最后的分支流道。从最后的分叉处流向出口的流道的流阻满足：

[0047] R(n)＝Rm

[0048] 而流量与流阻成反比关系，所以出口流量(qn)和最后一个分支流道流量(Qn)之间的关系满足：

[0049]

[0050] 其中:

[0051] Rb＝Rs+Rv+Re

[0052] 然后，在倒数第二个分叉处进行讨论。倒数第一个分岔口的入口流量可看作倒数第二个分岔口的出口流量(qn-1)，倒数第二个分岔口后所有流道的流阻满足：

[0053]

[0054] 倒数第二个分岔口的流量分配又满足：

[0055]

[0056] 以此类推，利用迭代，可得到对于第i(1≤i≤n)个分岔口：

[0057]

[0058] 其中，由于

[0059] R(n)＝Rm

[0060] 并且，第i个分支流道入口的流量(Qi)满足：

[0061]

[0062] 故由上述公式可求出每个分支流道中的流量比值，即本发明中的剪切力调节区域203内的流量比值。进一步根据方形管道内的剪切力公式：

[0063]

[0064] 可以求出每个分支流道的变化区域中的剪切力比值。其中，μ代表流体动态粘度，Q代表流道内流体的体积流量，w代表流道的宽度，h代表流道的高度。综上，由上述公式可知，只需改变每个流道的阀门的流阻Rv，即可实现每个分支流道内流量关系的变化，进而产生剪切力关系的变化，即使输入流体的流速不变，也可以实现剪切力大小的动态调整。

[0065] 本发明不限制分支流道200的数量，其数量根据剪切力的调节范围调整，分支流道200的数量越多，变化范围越大，参照表1，显示了理论计算的切应力最大变化范围与分支流道数量的关系：

[0066] 表1当总分支通道个数变化时首级和末级流道内流体剪切力比值

[0067]

[0068] 由上表可以看出，当设有8条分支流道时，通过调节阀门，首级和末级分支流道内流体剪切力的比值可以达到18509:1，并且由于阀门区域流阻变形是连续的，因此流阻也可实现连续变化，即本发明可覆盖范围内任意一点的切应力值比值。

[0069] 当改变某个分支流道200的横截面积的大小时，所有分支流道200内的剪切力的大小和比值都发生变化。通过精确控制各个分支流道200内的阀门300的闭合程度，可以实现使各分支流道200内流体剪切力数值分布在线性、指数和正弦等规律间的动态切换。

[0070] 参照表2，以膜片式阀门为例，示出了各分支流道的膜片变形量的组合(设定第一分支流道中的膜片变形量为a)：

[0071] 表2实现特定剪切力分布所需的各分支流道阀门变形量

[0072]

[0073] 当各分支流道分别采用表中所列的变形量组合时，各分支流道200内流体剪切力的数值按照如图3至图6中所示分布。

[0074] 本发明中的阀门用于调节分支流道200的截面积，参照图7至图10，分别示出了本发明中阀门不同实施例的示意图。具体地，如图7所示，阀门300包括构成分支流道200的流道壁的弹性膜片301，以及向弹性膜片301施加压力以使其向流道内部凹陷的加压装置(未示出)，当加压装置施加压力后，分支流道200截面积减小，当压力消除后，弹性膜片301在自身弹力的作用下复原，分支流道200截面积随之复原。

[0075] 加压装置可以采用现有技术，如气压驱动装置、液压驱动装置等，本发明对此不作限定。

[0076] 本发明的施压方式也不做限定，比如可以如图7所示，加压装置对弹性膜片301进行单向施压，也可以如图8所示沿分支流道200的周向向弹性膜片302进行多向施压。

[0077] 如图9所示，阀门300包括构成分支流道200的流道壁的具有磁性的弹性膜片303，以及向弹性膜片303施加磁场以吸引其向流道内部凹陷的磁性装置401。本文所称的具有磁性的弹性膜片，既可以是弹性膜片303本身具有磁性，也可以是在弹性膜片303上额外固定具有磁性的部件。另外，本文所称的磁性既可以理解为能够进行主动吸附其他部件，也可以理解为能够被其他部件吸附。

[0078] 如图10所示，阀门300包括注入分支流道内的磁珠304，以及向磁珠304施加磁场以使其在分支流道内的流道壁上堆积的磁性装置402。随着磁场的增强与减弱，吸附在流道壁上的磁珠304也会相应增加与减少。

[0079] 本实施例中的磁性部件优选为电磁铁，以便于能够动态地调整磁性大小。

[0080] 除上述实施例之外，本发明还可以采用其他已知的阀门结构，对此本发明不作限定。

[0081] 本发明还公开了一种流体剪切力生成方法，包括以下步骤，

[0082] S10设置具有流体入口与主流道流体出口的主流道，并设置与主流道连通的至少两条分支流道，分支流道具有分支流道流体出口。

[0083] S20在各分支流道内设置可调节该分支流道截面积的阀门，此处的阀门可以采用上述实施例中的阀门结构。

[0084] S30通过流体入口向主流道内注入流体，并通过调节各阀门，以调节各分支流道内剪切力的大小与比值。

[0085] 进一步地，在上述各阀门调节完毕之后，还可以通过调节主流道内的流体流速，以在各分支流道内的剪切力比值保持不变的情况下调节剪切力的大小。

[0086] 以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。