惯性微流控细胞分离螺旋微通道结构

在微流控生物检测设备的研发落地过程中，无标记细胞分离是样本前处理环节的核心需求，这类结构不需要额外添加生化标记试剂，仅依靠流体在微尺度通道内的惯性效应与迪恩二次流作用，就能实现不同尺寸颗粒、细胞的高效分选，广泛适配临床快速检测、单细胞分析、循环肿瘤细胞富集等实际应用场景，相比传统的离心分选、磁珠分选方案，这类集成化微通道结构可以大幅缩小设备体积，降低样本处理过程中的污染风险，同时减少人工操作步骤带来的分选误差。

本次设计的螺旋微通道结构，核心围绕惯性微流控的分选逻辑展开，整体采用平面阿基米德螺旋布局，流道从中心位置向外逐圈延展，末端设置独立的进液端与出液端，进液接口位于螺旋结构外侧的直段末端，出液接口位于螺旋中心位置，流体从外侧接口泵入后，会沿着螺旋流道逐圈向中心流动，在流动过程中，不同尺寸的细胞会受到惯性升力与迪恩拽力的共同作用：尺寸较大的细胞所受惯性升力占主导，会逐渐向流道内壁侧迁移，尺寸较小的细胞受迪恩流的拖拽作用更明显，会在流道截面内随二次流循环运动，最终在流道出口位置实现不同尺寸细胞的分层收集。

设计过程中首先确定了流道的截面参数，结合目标分选的4μm、6μm、12μm三类细胞尺寸，流道截面采用矩形结构，截面宽度与深度的比值经过多轮流场仿真校核，保证在常用的微流控进样流速区间内，迪恩流的拖拽力与惯性升力的平衡点刚好匹配三类细胞的尺寸分界，避免出现分选区间重叠导致的收集纯度下降问题。螺旋的圈数设置经过流场停留时间计算，保证流体从进入螺旋段到流出的过程中，细胞有足够的迁移距离完成横向位置调整，圈数过少会导致细胞迁移不充分，不同尺寸细胞的流道位置没有完全分开，圈数过多则会增大流道整体流阻，提升对进样泵的压力要求，同时增加微结构加工过程中的键合难度。

从安装边界来看，整个螺旋微通道的平面尺寸适配常规的微流控芯片标准载玻片规格，可以直接集成在标准的微流控芯片基片上，不需要额外定制非标安装夹具，进液端与出液端的直段长度预留了标准管路接头的安装空间，接头采用过盈配合的安装方式，保证在常规进样压力下不会出现漏液问题。流道的整体高度与基片厚度匹配，加工时可以采用软光刻或者精密机加工的方式制作模具，再通过PDMS倒模或者热压成型的方式批量制作流道片，最后与盖片键合形成完整的封闭流道。

实际使用过程中，这类螺旋微通道不需要额外的外加力场，仅靠精密注射泵控制进样流速就能稳定工作，当进样流速调整到设计区间内时，12μm的细胞会完全迁移到流道内壁侧的收集出口，6μm的细胞会集中在流道中间层出口，4μm的细胞会随迪恩流运动到流道外壁侧出口，三类细胞的分选纯度可以满足常规生物实验的样本前处理要求。相比其他结构的微流控分选通道，螺旋结构的空间利用率更高，在相同的流道长度下占用的芯片面积更小，便于在单块芯片上集成多路并行的分选通道，提升样本处理通量。

设计时还考虑了流道的转角过渡问题，螺旋流道的曲率是连续渐变的，不存在突变的直角转角，避免了转角位置出现流动死区，导致细胞滞留堵塞流道的问题，流道内壁与外壁的表面粗糙度要求控制在微米级以下，减少壁面缺陷对细胞运动轨迹的干扰，同时降低细胞在壁面粘附的概率。进液端的直段位置设置了一段缓冲流道，保证流体进入螺旋段之前已经形成稳定的层流状态，避免入口段的流场扰动影响初始的细胞分布，进而影响最终的分选效果。

在结构建模过程中，螺旋线的生成采用参数化驱动的方式，流道的曲率半径、圈数、截面尺寸都可以根据目标分选细胞的尺寸范围快速调整，不需要重新绘制整体结构，便于后续针对不同的分选场景做结构迭代，比如针对更大尺寸的细胞分选，可以适当增大流道截面尺寸，调整螺旋曲率，重新匹配惯性力与迪恩力的平衡区间。整个流道的壁厚设计兼顾了结构强度与键合要求，壁厚过薄会导致键合过程中流道出现塌陷变形，壁厚过厚则会增加芯片整体厚度，不利于后续的显微观测。