飞秒激光驱动聚合物微流控芯片的制备及其在螺旋微通道中基于尺寸的高效颗粒分选

这篇研究创新性地将飞秒激光加工技术与仿真模拟相结合，开发出具有梯形截面的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）微流控芯片。通过单一扫描速度参数调控激光加工，实现了高精度、可重复的芯片制备，其不对称出口设计在2 mL/min流速下对20 μm（模拟循环肿瘤细胞CTC）和6 μm（模拟红细胞RBC）颗粒的分选效率分别达98.2%和71.8%，为液体活检（Liquid Biopsy）提供了低成本、可商业化的解决方案。

　　

1 引言

细胞分选技术作为液体活检的核心环节，在循环肿瘤细胞（CTC）检测等领域具有重要意义。传统主动分选技术如电泳（Electrophoresis）需外场驱动，而被动式惯性分选芯片凭借结构紧凑、高通量优势成为研究热点。本研究通过飞秒激光（fs-laser）直写PMMA基底，结合梯形截面螺旋微通道设计，实现了仅需调控激光扫描速度单参数即可制备高性能分选器件。

1.1 螺旋微通道中的颗粒分选物理机制

在雷诺数1-150的中间流态下，颗粒受剪切升力（F_SL）与壁面升力（F_WL）共同作用形成总惯性力（F_L），其表达式为F_L=f_LρU_max²a⁴/D_h²。螺旋通道中二次流产生的迪恩拖曳力（F_DD=8π²a³ρ_f/Re_D）促使大颗粒（20 μm）向内壁迁移，而小颗粒（6 μm）保持外轨运动。梯形截面通过偏移迪恩涡核心位置，使两类颗粒平衡间距扩大至120 μm vs 200 μm，显著提升分选分辨率。

2 结果与讨论

2.1 惯性分选芯片设计

五圈阿基米德螺旋结构通过COMSOL仿真优化，最小通道长度L_MIN=3πμD_h³/ρUa³计算确定。不对称出口设计（内出口占1/3宽度）使20 μm颗粒分选效率从对称设计的83.3%提升至100%。激光参数采用2.7 W平均功率、13.5 μJ脉冲能量，扫描速度0.02-0.065 m/s梯度变化形成70-100 μm梯形深度，经丙酮蒸汽处理后表面粗糙度（Ra）从1.5 μm降至0.3 μm。

2.2 颗粒聚焦与分选效率

荧光标记实验显示，在2 mL/min流速下，20 μm与6 μm颗粒聚焦位置分别为距内壁130 μm和250 μm，与仿真误差<4%。混合溶液测试证实器件对双尺寸颗粒的并行分选能力，实测最大效率达98.2±1.6%（20 μm）和71.8±1.7%（6 μm），与模拟值高度吻合。生物测试中，20%浓度RBC溶液分选效率为59.1±1.8%，随浓度升高效率下降，表明血液粘度对分选性能存在影响。

3 材料与方法

3.1 芯片制备

飞秒激光系统（1030 nm波长，200 kHz重频）通过振镜扫描实现12 μm光斑直写。丙酮蒸汽处理（56°C/2 min）后采用异丙醇辅助热压（80°C/20 min）完成3 mm厚PMMA盖板键合。连接孔采用SNP-D 091-060平头针配合Loctite 3430树脂密封，单芯片制备时间仅30分钟。

3.2 性能表征

使用血球计数板（Hemocytometer）定量分析，10⁶ particles/mL浓度的聚苯乙烯微球溶液在2 mL/min流速下连续运行7小时后出现通道堵塞，而RBC样本因细胞形变能力表现出更优的抗堵塞特性。

4 结论

该研究通过飞秒激光"单参数调控"策略，突破了传统光刻技术对模具的依赖，为CTC分选提供了可量产化解决方案。梯形截面设计与不对称出口的协同作用，结合PMMA的机械稳定性（可承受3 bar压力）和生物相容性，展现出在床旁诊断（Point-of-Care）中的应用潜力。未来通过堆叠多芯片或提高流速（>2 mL/min），有望进一步提升RBC分选效率。