微流控3D打印液滴发生结构设计

　　做微流控实验的同行大多有过定制液滴发生装置的痛点，传统软刻蚀工艺做出来的流道，不仅要反复倒模调整尺寸，遇到需要变截面流道的需求时，加工周期往往要拉到一周以上，还很难保证不同批次流道的内壁粗糙度一致，直接影响液滴生成的单分散性。这次做的这款适配3D打印工艺的液滴发生结构，就是针对实验室快速迭代微流控器件的需求设计的，从结构上规避了传统加工方式的诸多限制。

　　先从实际应用场景说，这类液滴发生结构目前用得最多的是生化分析领域的数字PCR样本制备，还有药物筛选中的微球包裹、微纳米材料合成中的液滴模板制备，甚至食品领域的微胶囊包埋也会用到同原理的结构。之前帮实验室做药物筛选平台的时候，就遇到过商用液滴芯片价格高、流道尺寸固定没法适配不同粘度油相的问题，所以在设计这款结构的时候，特意把分散相和连续相的交汇角做了可适配调整的结构预留，不用重新开模就能通过更换不同厚度的间隔垫片调整两相交汇的剪切角度，适配从1cP到50cP粘度范围的连续相流体。

　　结构设计上没有采用常见的T型交汇或者同轴流道的单一形式，而是做了聚焦式流道结合渐扩缓冲段的组合结构：分散相入口做了15度的锥形收敛段，能让分散相在进入交汇区前保持稳定的层流状态，避免入口段的涡流导致液滴尺寸波动；连续相采用双侧对称进料的方式，两个进料流道的截面尺寸公差控制在0.02mm以内，保证两侧剪切力完全对称，不会出现液滴偏移流道、大小不均的问题；交汇后的出口段做了长度为流道宽度8倍的直段缓冲，刚生成的液滴在这段流道里完成形态稳定，不会因为后续流道的变径出现二次破碎或者融合。

　　考虑到3D打印的工艺特性，所有流道的转角都做了0.1mm的圆角过渡，没有直角死角，一方面避免打印过程中支撑残留堵在流道转角处，另一方面也减少流体在转角处的滞留，做生物样本实验的时候不会出现样本残留交叉污染的问题。整个结构的外形尺寸控制在25mm×15mm×3mm的范围内，安装边界完全适配实验室常用的标准微流控芯片夹具，进出液口的位置和间距和商用1/16英寸PEEK接头的安装孔位完全匹配，不用额外定制夹具就能直接装到现有实验平台上使用，进出液口的端面做了0.2mm的沉台设计，装接头的时候放O圈就能实现密封，耐压能力可以达到2bar，满足常规注射泵进样的压力需求。

　　实际测试的时候，用去离子水做分散相、矿物油做连续相，在连续相流速100μL/min、分散相流速5μL/min的参数下，生成的液滴直径变异系数可以控制在3%以内，比同尺寸的软刻蚀芯片表现还要稳定，主要是因为3D打印的流道内壁是一体成型的，没有软刻蚀工艺中键合带来的台阶差，流体在流道里的阻力更均匀。另外结构上还预留了观察窗的位置，交汇区正上方的结构壁厚控制在0.2mm，透光性满足高速相机拍摄液滴生成过程的需求，不用额外做抛光处理就能直接用来观测流场状态。

　　做这类微流控结构的三维设计的时候，最容易忽略的就是流道的拔模角度，很多人画模型的时候直接做垂直流道，打印完之后内腔的残留树脂很难清理干净，这次设计的时候所有流道都做了0.5度的顺向拔模，打印完之后用乙醇冲洗的时候，残留树脂能顺着拔模斜面完全流出来，不会出现流道半堵的情况。还有安装定位的问题，结构的四个角做了直径2mm的定位孔，和夹具上的定位销配合，安装的时候不用反复调整对准位置，装夹之后流道的对中误差不会超过0.05mm，避免因为装夹偏移导致的流道变形。

　　从功能拓展性来说，这个结构的流道模块是可拆分的，后续如果需要做不同尺寸的液滴，只需要更换中间的流道层就行，上下的盖板和接口部分可以重复使用，能大幅降低实验耗材成本。相比传统的玻璃毛细管拉制的液滴发生装置，这种3D打印的结构抗摔性更好，不会因为操作中的磕碰导致毛细管断裂，日常维护只需要用乙醇冲洗流道就行，不需要特殊的保养流程，很适合实验室新手操作使用。