壓電致動器為精確和低成本的微尺度流體控制提供了巨大的機會。集成壓電致動器的微流體系統(tǒng)應(yīng)用于液滴發(fā)生器，微泵和微分選器。為了加速器件設(shè)計和優(yōu)化，建模和仿真方法是一種有吸引力的工具，但由于問題的多物理場性質(zhì)，存在挑戰(zhàn)。簡單，潛在的實時方法，實驗表征流體響應(yīng)的壓電驅(qū)動也是非?？扇〉?。在這項工作中，我們提出了一種壓電微流體細胞分選器的數(shù)值和實驗表征策略。具體來說，我們提出了一個系統(tǒng)的三維耦合多物理場有限元模型和一個簡單的基于圖像的流量監(jiān)測方法。正弦和脈沖驅(qū)動作為案例研究來測試所提出的方法。結(jié)果證明了該方法的有效性以及該系統(tǒng)在細胞分選應(yīng)用中的適用性。

細胞分選是將目標細胞群從異質(zhì)混合物中分離出來的過程，是基于細胞的診斷和治療中的一項關(guān)鍵技術(shù)。微流控技術(shù)的發(fā)展使細胞選擇性分離裝置的小型化得以實現(xiàn)，具有樣品體積小、與下游工藝高度集成和結(jié)合的可能性等優(yōu)點。

微流控細胞分選裝置主要分為兩大類：高通量分選和精確分選。高通量分選缺乏單細胞分辨率，通常用于富集細胞群(例如，循環(huán)腫瘤細胞)，而精確分選可以將細胞一個接一個地引導(dǎo)到目標通道中(即單細胞分選)。用于精確分選的微流體系統(tǒng)通常包括兩個組件:一個傳感器，用于識別目標細胞和非目標細胞以及一個執(zhí)行器，用于將目標細胞引導(dǎo)到特定的出口。雖然常見的傳感方法是熒光標記細胞的光學(xué)檢測，但由于其無標記的性質(zhì)，電檢測方法代表了一種有吸引力的替代方法。關(guān)于致動方式，常見的有聲阻抗法、介電電泳法、光學(xué)法、汽泡執(zhí)行器和壓電執(zhí)行器。

這里，我們提出了一種用于細胞分選的微流體壓電驅(qū)動器的數(shù)值和實驗表征的原始方法。具體而言，我們開發(fā)了:(i)微流體系統(tǒng)的三維耦合多物理場(電-結(jié)構(gòu)-流體)有限元模型;(ii)一種簡單的基于圖像的方法來實驗量化樣品流的偏轉(zhuǎn)。以正弦和脈沖驅(qū)動為例來說明所提出的方法。

微流控器件的主通道寬度為150μm，三個采集通道寬度各為50μm。側(cè)區(qū)噴嘴寬度為100μm，距離發(fā)散連接處約50μm。微通道高度為40μm。圓柱形腔室直徑13mm，高度5mm。換能器由直徑為15mm，厚度為110 μ m的鋯鈦酸鉛(PZT)元件制成，其金屬襯底(黃銅)直徑為20mm，厚度為100 μ m。

為了對壓電驅(qū)動器進行實驗表征，用注射泵(Elite 11, Harvard Apparatus)以5μl/min的速度將PBS(磷酸鹽緩沖鹽水)，13%蔗糖和0.1% Tween 20制成的緩沖液泵入(樣品流)。該緩沖液常用于微流控阻抗細胞術(shù)。鞘層流動(去離子水)通過壓力控制器(OB1, Elveflow)通過入口輸送。典型壓力值約為300毫巴，產(chǎn)生的通量約為15 μl/min。

微流控器件安裝在倒置顯微鏡(Zeiss Axio Observer, 10倍物鏡)的臺上，通過連接顯微鏡的高速攝像機(Photron Mini UX100，幀率4000-16000 fps，基于驅(qū)動頻率，快門時間25μs)采集分選區(qū)域的流體流動。在目前的裝置下，樣品流與護套流在光學(xué)上是可區(qū)分的。

壓電換能器由波形發(fā)生器(Keysight 33600A)驅(qū)動。正弦驅(qū)動(3、15、25、50、75或100 Hz頻率)和脈沖驅(qū)動(20、10、5、1或0.5 ms脈沖持續(xù)時間)都被使用。施加電位的典型值為10 Vpp或更低。
圖1所示。(a)設(shè)備照片和(b)流體布局，有入口和出口指示。(c)設(shè)備分選區(qū)域的顯微鏡圖像。
圖2所示。(a)整個微流控裝置和(b)僅流體域的幾何模型。(c)徑向截面AA '的示意圖(未按方向縮放)，顯示了不同的子域和流固耦合界面。還指出了外加電位和接地。(d)放大顯示(黃色)帶有相關(guān)集總順應(yīng)性的流體邊界(模擬實驗裝置中出現(xiàn)的右側(cè)橢圓形側(cè)腔)。(e)計算中使用的典型網(wǎng)格，(f)排序區(qū)域的縮放。
圖7所示。實驗表征，正弦驅(qū)動信號。(a)驅(qū)動信號(10 Vpp)在(從上到下)3,15,25,50,75,100,500和1000hz的采樣流旋轉(zhuǎn)角度。原始數(shù)據(jù)(藍色);擬合正弦波(青色)。(b)波德圖(振幅圖)。在100hz時，也考慮5vpp電壓(紅色方塊)。插圖:旋轉(zhuǎn)角度在10 Vpp(藍色)和5 Vpp(紅色)。為了便于幅度比較，已經(jīng)減去了基線值。
圖8所示。實驗表征，脈沖驅(qū)動信號。(a)樣品流旋轉(zhuǎn)角度從上到下，Ton=20、10、5、1、0.5 ms。脈沖幅度為5v(藍色)或3v(紅色)。(b)正極性與反極性脈沖驅(qū)動信號對比。

參考文獻：
Cristian Brandi, Adele De Ninno, Enrico Verona, Luca Businaro, Paolo Bisegna, Federica Caselli, Numerical and experimental characterization of a piezoelectric actuator for microfluidic cell sorting, Sensors and Actuators A: Physical, 2024, Volume 367,115074. https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115074.