仿生软微阀：面向床旁检测设备的可集成流体二极管

《Cell Reports Physical Science》：Bioinspired soft microvalve as an integrable fluidic diode for point-of-care devices

本研究针对现有微阀响应慢、流阻高、集成难等问题，受心脏瓣膜结构启发，开发了一种基于涡流反馈机制的软微阀（HiValve）。通过一步3D打印模具成型技术，实现了60 ms快速闭合、100 kPa反向压力下零泄漏的高性能流体二极管，并演示了其在单控端口芯片级循环中的应用，为个性化医疗设备提供了可集成的流体控制解决方案。

　　

在个性化医疗快速发展的今天，微流控技术凭借其微型化、低样本消耗和高度集成化的优势，成为床旁检测（Point-of-Care, POC）设备的核心技术。然而，作为微流控系统“交通枢纽”的微阀，却长期面临响应速度慢、流体阻力高、难以与现有芯片集成等瓶颈。传统微阀多依赖复杂的光刻工艺或外部驱动设备，限制了其在便携式医疗设备中的广泛应用。能否设计一种既快速响应又易于集成的微阀，成为推动微流控技术走向实际应用的关键挑战。

受人体心脏瓣膜高效启闭机制的启发，香港城市大学与北京航空航天大学联合团队在《Cell Reports Physical Science》发表了一项突破性研究，提出了一种仿生软微阀（HiValve）。该阀模仿心脏主动脉瓣的双瓣叶结构和涡流辅助反馈机制，通过一步3D打印模具成型技术，实现了毫秒级闭合、零泄漏的流体控制功能，并成功应用于多场景微流控系统，为下一代床旁检测设备提供了核心流体控制元件。

研究团队采用三大关键技术：首先，基于心脏瓣膜双瓣叶和自由边缘结构设计HiValve，通过涡流仿真优化瓣叶曲率与阀腔尺寸；其次，利用高分辨率液晶显示（LCD）3D打印机直接制造模具，结合聚二甲基硅氧烷（PDMS）浇铸成型，实现HiValve与通道层的一体化制造；最后，通过压力-流量测试系统、粒子追踪涡流观测、混合效率分析（基于像素方差计算）等方法，系统性评估阀的动态响应、密封性及多功能集成性能。

仿生软微阀的工作原理与制造

心脏瓣膜通过涡流反馈实现快速闭合，例如左心室舒张末期血液涡流推动二尖瓣提前关闭。HiValve复刻了这一机制：当流体经收缩通道加速进入阀腔时，在瓣叶后方形成涡旋。正向压力下涡流与主流相互作用稳定瓣叶；反向压力时，残余涡流协同压力差促使瓣叶在60 ms内快速闭合。阀的流体阻力低至1.76×10^?2kPa·μL^?1·min，且耐受-100 kPa背压无泄漏。制造上，团队采用3D打印模具一次性浇铸PDMS，避免了传统微阀的多层组装难题，并兼容光刻微通道，显著提升集成灵活性。

涡流辅助的快速响应特性

通过脉冲压力测试（频率最高5 Hz）发现，HiValve的闭合响应时间（60 ms）比开启时间更短，因涡流在闭合阶段与压力方向一致形成协同效应。粒子追踪实验直接观测到瓣叶后方涡旋（图2G），证实其类似心脏瓣膜的流体反馈机制。对比现有软微阀，HiValve将闭合速度提升两个数量级，且制造步骤从多步简化为单步成型。

多场景集成应用验证

1. 1.
   快速流体选择：通过串联四个HiValve构建双流体选择芯片，在5 Hz切换频率下实现无回流样本切换，兼容光刻微通道（宽50 μm），形成“CITYUBUAA”字样流体图案（图3F）。
2. 2.
   按需液滴生成：三个HiValve并行集成于流聚焦液滴生成器，通过编程压力剖面控制液滴数量（1-5滴）与尺寸（200-234 μm），兼具连续生成模式（图4E-F）。
3. 3.
   预混合泵送：双HiValve与气动膜构成单控端口泵，在90%拉伸阶段通过涡流实现混合效率>94%，支持手指驱动操作（图5H），适用于动态细胞培养介质循环。
4. 4.
   片上血液循环：模拟人体双心室结构，集成四个HiValve（直径750-1000 μm）与弹性血管通道，以抗凝猪血为工质，在60-180 bpm频率下重现动脉血流双峰速度曲线（图6F），为器官芯片提供生理级循环模型。

结论与展望

HiValve通过仿生设计与涡流反馈机制，解决了软微阀响应速度与集成度的核心矛盾。其单步成型工艺与PDMS芯片的兼容性，大幅降低了复杂微流控系统的制造门槛。研究演示的流体选择、液滴生成、混合泵送及血液循环等功能，展现了HiValve在床旁检测、单细胞分析、动态细胞培养等领域的应用潜力。未来，团队计划将HiValve用于核酸提取等生物医学场景，推动个性化医疗设备的集成化与智能化发展。