论文总字数：31539字

摘 要

微流控芯片凭借其体积小、采样量小、检测速度快的优点在医疗、体育、军事等领域有了广泛的应用，一块微流控芯片可以完成整个实验室可以完成的工作，因此其也被称为芯片实验室。但是由于其尺寸较小，集成度很高，所以通常要应用MEMS技术才能制造，从而提高了制造成本，也使得微流控芯片从设计完成到制造完成要有一段时间距离。而且一体化设计的微流控芯片只能完成特定的检测和功能，当一个项目完成了，该芯片也就废弃了，然而此时该芯片的流道、混合器、阀门等部分的功能依旧是完整的。本文采用了模块化设计的方法来解决微流控芯片的制造周期、成本问题，并对已有的模块化设计方案提出了改进方法。

本文通过对各种3D打印技术的精度和成本对比并结合已有论文中3D打印制作微流控芯片的样例，选出了适用于不同精度的3D打印方式，双光子聚合技术的精度较高，FDM和光固化技术已经有所应用，尤其是光固化技术中的DLP，由于其成本大幅降低且可以打印100微米左右的流道，应用前景很好。

本文提出和改进了三种微流控芯片模块化的方法。分别是类乐高型、类蜂巢型以及片状功能选择型。类乐高型的外形类似于乐高积木，流道在模块之间的接触面形成。类蜂巢型有正六边柱的模块，其可以实现液滴生成等流道较多且流道之间非直角关系的功能，其流道在模块内部形成，可以更好的进行三维的流道布置。片状功能选择型则是通过流道模块的方形不同来使得液体的流动方向不同，每个流动方向上都有相应的功能实现单元，选择不同的单元进行组合，从而实现目标。

模块化设计的微流控芯片的单个模块可以被组装在实现不同功能的整体中，从而实现循环利用、物尽其用，并且只要设计出芯片就可以在实验室立马组装，缩短了制造的过程。

关键字：微流控芯片 模块化设计 3D打印

ABSTRACT

The microfluidic chip has a wide range of applications in the medical, sports, military, and other fields due to its small size, small sample size, and fast detection speed. A microfluidic chip can complete the work that the entire laboratory can accomplish. Known as a chip lab. However, due to its small size and high degree of integration, it is usually necessary to apply MEMS technology to manufacture, thereby increasing the manufacturing cost, and also making it necessary for the microfluidic chip to have a certain period of time from design completion to manufacturing completion. In addition, the integrated microfluidic chip can only perform specific detection and functions. When a project is completed, the chip is also discarded. However, the function of the flow channel, mixer, valve, etc. of the chip is still complete. In this paper, a modular design method is used to solve the manufacturing cycle and cost of the microfluidic chip, and an improved method is proposed for the existing modular design.

In this paper, through the comparison of the accuracy and cost of various 3D printing technologies and combining examples of microfluidic chips produced by 3D printing in the existing papers, 3D printing methods suitable for different precisions have been selected. The accuracy of two-photon polymerization technology is higher. , FDM and photo-curing technologies have already been applied, especially DLP in photo-curing technology, due to its significantly reduced cost and can print about 100 micron flow channels, the application prospect is very good.

This article proposes and improves the modularization of three microfluidic chips. They are Lego-like, Beehive-like, and Sheet-selective. The Lego-like shape is similar to the Lego bricks, and the flow path is formed at the interface between the modules. The honeycomb type has a module with a regular hexagonal column, which can realize the functions of many flow paths such as droplet generation and the non-right angle relationship between the flow paths. The flow path is formed inside the module, and the three-dimensional flow path arrangement can be better performed. . The function of the chip type is to make the flow direction of the liquid different through the square of the flow channel module, and each flow direction has a corresponding function to realize the unit, and select different units to combine to achieve the goal.

Modular design of a single module of the microfluidic chip can be assembled in the realization of different functions of the whole, so as to achieve recycling, make the best use of, and as long as the design of the chip can be assembled in the laboratory immediately, shortening the manufacturing process .

Keywords: Microfluidic chip Modular design 3D printing

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1微流控技术的概念 1

1.2微流控芯片的重要性 1

1.3微流控芯片在细胞研究上的应用 2

1.3.1微流控技术在细胞培养上的应用 2

1.3.2微流控技术在细胞分选上的应用 3

1.3.3微流控技术在细胞捕获上的应用 4

1.3.4微流控技术在细胞裂解上的应用 5

1.4微流控芯片在蛋白质研究中的应用 5

1.4.1蛋白质样品预处理 6

1.4.2蛋白质分离 6

1.4.3蛋白质结构分析 7

1.5模块化设计 7

1.5.1模块化设计的概念 7

1.5.2模块化设计的优点 7

1.6本章小结 8

第二章 微流控芯片的模块化设计 9

2.1模块化设计在微流控芯片的应用 9

2.1.1块状模块化 9

2.1.2片状模块化 11

2.2 3D打印技术在微流控领域的应用 12

2.2.1低精度打印 13

2.2.2高精度打印 14

2.3新的模块样式的提出 15

2.3.1片状功能选择型芯片的改进 15

2.3.2类乐高的模块设计 18

2.3.3类蜂巢的模块设计 18

2.4本章小结 19

第三章 设计方案 20

3.1类乐高模块的具体设计 20

3.1.1基本块的设计 20

3.1.2流道的设计 20

3.1.3主要功能块的设计 20

3.2类蜂巢结构的具体设计 22

3.2.1基本模块的设计 22

3.2.2主要模块的设计 22

3.3自定位流道块功能选择片状芯片 23

3.3.1基本尺寸设计 23

3.3.2功能模块的设计 23

3.4 本章小结 24

4.1工作总结 25

4.2研究展望 25

致 谢 26

参考文献 27

第一章 绪论

1.1微流控技术的概念

微流控芯片技术可以在微米尺度空间对微流体进行操纵，其应用场景很广泛，可以将生物或化学等实验室“浓缩”到只有几平方厘米的芯片上。微流控芯片由各种储液池和相互连接的微通道网络组成，可以很大程度缩短样本处理时间，并通过精密控制液体流动，实现试剂耗材的最大利用效率，把整个化验室的功能，例如：采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上,且可以多次使用^[1]。

其概念的出现最早可以追溯至20世纪90年代初，Manz等人采用芯片实现了电泳分离^[2]。2001年，《Lab on a Chip》创刊，这本杂志很快成为了微流控领域的主流刊物，全世界有关微流控技术的新想法、新突破很多都会发表在这本杂志上。在20世纪90年代中后期，在中国政府的支持下，中国高校以及研究所从各个角度都开展了对微流控芯片的研究。2009年，中国学者在该领域已经取得了很多成就，并且在《Lab on a Chip》杂志上发表的论文数量已经跃居世界第二^[3]。

1.2微流控芯片的重要性

在20世纪90年代中期，美国国防部提出了对于士兵便携式自检装备的需求^[2]，从而推动和催化了全世界范围内的对于微流控技术的研究，该技术对样品需求小，装置体积小的特点可以完美的满足美国防部的需求。该技术也反映了人类社会发展的一种趋势，即人类更加珍惜资源的利用，更加注重优化资源的使用。微流控技术的流道尺寸通常在10-100微米的尺度范围内，在该尺度上，流体的流动会出现很多新的现象。虽然在连续性方程框架内，微米尺度和宏观尺度基本一致，但是其很多特殊性在被不断提出。

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