微流控系统开发:磁性液体鞘有效减少摩擦

带有磁性液体内衬通道的微流控系统可以简化样品的流动,并安全地运输脆弱的细胞,同时有助于微流控设备的小型化。负责这项研究的斯特拉斯堡大学的Thomasm.Hermans说:“这将打开许多微流控应用领域,我们可以在非常小的管道中使用低压。”

在微小的微流控系统中,摩擦会引起严重的问题。在只有几微米宽的通道中,很大一部分液体样品与通道壁接触,产生的摩擦力限制了流速,增加了污染的风险。它还会产生剪切力,使脆弱的细胞、蛋白质和抗体断裂。

新的磁性系统克服了这一点,完全不需要固体壁,而是将流动的液体样品包裹在磁性液体的鞘内。研究人员测试了各种磁性液体,包括含有磁铁矿纳米粒子的商业磁流体。磁性液体包含在一个塑料通道中,纵向安装有四个钕铁硼棒磁铁,沿着磁性液体的中心形成一个零磁场区域。此时在磁性液体内部打开一根细管,液体样品可以通过该细管。与传统的微流控系统相比,这些样品所经历的摩擦力和所需的压力要小得多,以实现同比流动。

这部分原因是因为磁性液体内部有一个对系统有帮助的逆流。当液体流动时,它会拉动磁性液体鞘的内表面。但当水样从管道末端滴出时,磁性液体会被条形磁铁控制住,并拉回鞘层的外表面。“它构成了一种流体输送带,” Hermans说。

研究人员说:“以前用磁流体来操纵细胞,现在他们可以用磁性流体作为边界层。虽然以前有人提出过使用磁性液体作为润滑层的想法,但这一项研究将该原理应用于非常独特的微流控应用中是一项突破性的成就。

在磁性仪器内部,一个1毫米宽的水芯可以产生大约每分钟40毫升的流量。Hermans说:在这样的直径下,大多数微流控系统的最大输出速度是每分钟几毫升。该系统还可以处理高粘性液体,例如,蜂蜜通过该仪器的速度大约是通过相同直径塑料管的速度的70倍。到目前为止,该研究小组已经创建出了窄至14µm的含水岩芯,但据计算,应该可以将该直径缩小到1µm以下。

研究小组使用额外的磁铁来挤压磁性液体,起到阀门的作用。重复这种阀门操作产生的泵送效果比传统的蠕动泵依靠滚柱挤压塑料管泵送要温和得多。研究人员发现,他们的设备输送人体血细胞的损伤比蠕动系统小11倍。

蜂蜜通过磁性液体管道(左)的速度大约是塑料管(右)的70倍,比自由落体(中)的速度稍快。

虽然在微流控系统中,包括疏水涂层在内的各种方法已被用来减少摩擦。“但是磁性液体鞘这种方法的优势是便宜,”Hermans说。“在微流控规模下,磁铁只有一两欧元。”

磁性护套还可以绕着障碍物弯曲,比如玻璃珠等,这样可以避免堵塞。Hermans的团队现在正在使用这种磁性装置来进行流动化学,比如纳米颗粒的合成等。目前市面上已经出现了几家微流控系统开发公司为生物技术市场应用该系统。

从21世纪初期就开始研究和应用微流控技术的ITL集团,是一家涉及微流控技术创新与优化改进的研发型企业,在IVD领域拥有40年经验的研发团队,已经成功研发出了400多种医疗产品,对于如何将新技术转化为商业化产品,研发团队有自己的独特见解和经验。ITL一直在自己的专属领域不断探索,同时关注相关领域的创新技术,整合自身和外部资源,在医疗领域不断创新,未来力求将微流控领域先进的新技术运用到医疗产品开发中生产出新的创新产品。

Reference:

Peplow, M., 2020. Magnetic liquid frees microfluidics from friction. C&EN Global Enterprise, 98(18), pp.9-9.

您可能还喜欢...

News
ITL集团受邀参加2020年医疗大健康产学研创新研讨会!

阅读更多 >

Resource
医疗器械设计:失效分析

阅读更多 >

Case Study
微流控芯片和微缩芯片技术

查看此案例研究 >

Case Study
LumiPod

针对未来可应用于POCT产品中的新技术的演示项目。

查看此案例研究 >