公开了一种微流体平台，该微流体平台使用放置在通道横截面内的一个或多个特定位置的障碍物以转动并拉伸流体。由于流体惯性，一个或多个障碍物的上游和下游的不对称流动行为表明其本身作为流线的拓扑结构的总变形，这有效地创建了可调的净二次流。系统和方法在微通道内以中到高流速被动地创建了强二次流。可以通过所述通道内一个或多个障碍物的数量和特定几何布置精确地控制这些流动。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用测序显微结构编排流体流动的方法相关申请本申请要求于2011年9月30日提交的美国临时专利申请第61/541,953号的优先权，在此引入其全部内容以供参考。根据35U.S.C.§119要求优先权。
本专利技术的领域一般涉及用于改变流体流动的微流体装置。更具体地，本专利技术的领域涉及在其中含一个或多个微流体特性的微流体装置，以在其中修改或改变流体或粒子的流动。
技术介绍
在微流体平台中流体控制和流体界面操作在各种应用中是非常重要的。例如，在微流体通道内可以采用流体控制来聚焦流体或在某些横向位置携带粒子。流体控制也可用于混合甚至分开流体成分。流体流的控制在生物处理和化学反应控制中也是有用的。操作流体的当前方法一般依靠复杂的设计或难以制造三维(3D)平台。还有其它微流体平台需要结合有源元件。此外，现有先进设备用诱导混乱的思维定势来操作以在微观层面提高混合。因此，实在上操作这些方法以引起流体系统的混乱，这可导致不可预测的流体控制。
技术实现思路
本专利技术的一个方面，公开了一种微流体平台或装置，其使用置于通道横截面内一个或多个特定位置的障碍物以转动和拉伸流体，不同于在斯托克斯流条件下的方式，在通过障碍物后没有精确地反向(preciselyreverse)。由于流体惯性，障碍物的上游和下游的非对称流动行为，表明它本身作为流线的拓扑结构的总变形，这有效地创建了可调净二次流，这在某些方面在弯曲通道内类似于再循环Dean(迪恩)流。系统和方法在微通道内被动地产生从中到高流速的强二次流。通过通道内一个或多个障碍物的数量和特定几何布置可以精确地控制这些流动。可以预测并数值模拟通道内的流体运动以表征二次流体流动和预测净惯性流动变形，使得可以在通道横截面内设计特定流体模式。可以在通道内串联或并联装配这些障碍物的序列以在流动的流体流上进行额外的流体操作。重要的是，在通过障碍物后，二次传送形状和量级(magnitude)保持相对恒定，对于超过一个数量级的雷诺数(或流速)，在通过障碍物后，基于传送的一个映射能够预测编排的流场，无需模拟每个新的配置。在这方面，由于它们的确定性质，障碍物的不同序列可以用于“编排(编程，program)”特定微流体流动流模式或形状。该系统和方法在微流体平台内创建了流体的三维结构的异常控制的可能性，这可以显著促进需要流体界面控制(如，光流体)或分子梯度的产生的应用。微流体通道内流体流动的特定裁剪也可用于制造单纤维或具有特定横截面尺寸的粒子。所述微流体平台也可以用于提供超快混合或热传导。可以裁制微流体流动用于流体交换应用(即，交换围绕细胞或类似物的流体)。另外，由于二次流与作用在粒子上的潜在的惯性升力相互作用，可以进行粒子的选择性分离。不是应用防止或扰乱顺序的流变换，而是需要本文所描述的流控制方法和平台，基于与包含在微流体环境中的对象相互作用的流体的确定性特性来编排流体流动。采取分层方法(分级方法，hierarchicalapproach)设计流体流于广义类的复杂的配置。与围绕单一基本操作的库的流动(例如，围绕柱序列的流动)相关联的惯性流动变形可作为基本编排操纵器(operator)。由于这些转变从障碍物的上游到下游，提供了流体元件的确定性映射，人们可以按顺序安排障碍物以应用相关的嵌套映射，并因此编排复杂的流体结构，无需额外的数值模拟。因此，可以分层装配由多个操纵器(例如，柱、柱子，或其它突起)组成的函数如‘旋转流至中心线’或‘向右移动流’，以执行实际编排。流的横截面形状可以被雕塑成复杂的几何形状(例如各种凹多边形、封闭环，和倾向线)，移动并分裂，迅速混合，成形以形成复杂的梯度，或调整以从流转移粒子，并根据尺寸分离粒子。编排流体流的一般策略的引入，其中以类似于半导体物理学从计算机编排中抽出的方式，从用户中抽出流体运动的非线性方程的复杂性，可以影响生物的、化学的和材料自动化，开启了在计算机中的一场革命。在本专利技术的一个实施方式中，在通道内编排流动的方法包括从库中选择多个操纵器，多个操纵器的每一个来自具有已知净二次流影响的库；由多个选择的操纵器创建编排；并制造具有在其中形成选择的操纵器的编排的通道。在另一个实施方式中，一种装置包括在上游位置具有至少一个交叉鞘流通道的通道；和布置在通道内下游位置的多个不同操纵器，每个操纵器包括具有已知净二次流影响的一个或多个突起，多个操纵器的每一个沿所述通道的长度彼此分开。在另一个实施方式中，在通道内交换围绕粒子的流体的方法包括启动通道内的鞘流，其中所述粒子包含在载液中并且不存在于鞘液中。使粒子通过含有布置在通道内的多个操纵器的编排，该编排被配置为改变围绕粒子的流动，使得所述粒子包含在所述鞘液中，而不是包含在所述载液中。在另一个实施方式中，利用通道形成单纤维(filament)的方法包括：启动前体材料的通道内的鞘流；使前体材料通过包括布置在通道内的多个柱操纵器的编排，该编排被配置为以预先确定方式改变流动的横截面轮廓；以及在所述微流体通道内将前体材料聚合成单纤维。在另一个实施方式中，利用通道形成三维粒子的方法包括启动前体材料的通道内的鞘流；使前体材料通过包括布置在通道内的多个柱操纵器的编排，该操纵器被配置为以预先确定方式改变流动的横截面轮廓；以及在通道内，通过将前体材料的一部分暴露于穿过介于在通道和光源之间的掩膜的光，将前体材料聚合成粒子。在另一个实施方式中，利用具有邻近其表面的一个或多个热区的通道的热传递的方法包括启动通道内的流动，其中所述流动在其中包括一个或多个具有较低温度的流；并且使所述流动通过包括布置在通道内的多个操纵器的编排，该编排被配置为以改变所述流动的横截面轮廓，以便移动一个或多个具有较低温度的流，邻近于一个或多个热区的流。在又一个实施方式中，一种将目标物质曝光于位于通道表面的反应表面的方法，包括启动通道内的流动，所述流动在其中包含目标；并且使所述流动通过包括布置在通道内的多个操纵器的编排，该编排被配置为改变所述流动的横截面轮廓，以便移动所述目标邻近于所述反应表面。在另一个实施方式中，一种在通道内流体中产生或改变一种或多种物质的梯度的方法，包括维持在通道内的流动，所述流动在横截面方向包含具有一种或多种物质的初始浓度分布的流体；以及使所述流动通过包括布置在通道内的多个操纵器的编排，该编排被配置为改变所述流动的横截面轮廓，以便改变一种或多种物质在横截面方向上的浓度分布。附图说明图1A示意性地示出了具有不同操纵器配置的四个不同微通道。图1B用图表示出了含有多个操纵器配置的库。图1C示出了包括多个操纵器的示例性编排。操纵器1和2的结合旋转流体同时操纵器3和1的结合使流向右移动。图2A示出了生成库以及从所述库中选择操纵器来创建随后可以制成微流体装置的编排序列的方法。图2B示意性地表示如何通过在初始条件S的基础上，选择不同的操纵器函数，来实现最终流动状态F(s)。在该实施例中，示出了使用四个中三个操纵器函数(f1，f2，f3)的编排，串联处理，逻辑步骤。图3A示出了在微流体通道内，以柱(post)或柱子(pillar)的形式通过多个微结构的流动。箭头图显示平均横向速度场随着流体部分(fluidparcels)从输入横截面(上游)移动到输出横截面(下游)。图3A还示出了流体流经微流体本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种编排通道内流动的方法，包括：从库中选择多个操纵器，来自所述库的所述多个操纵器中的每一个具有已知的净二次流体影响；由选择的所述多个操纵器创建编排；以及制造其中形成有选择的所述操纵器的所述编排的通道。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.30 US 61/541,9531.一种使用计算机编排通道内流动并且根据编排的流动制造通道的方法，包括：使用所述计算机以从数据库中选择多个操纵器，每一个操纵器包括从所述通道的表面延伸的一个或多个柱并创建与特定的操纵器相关联的惯性流动变形；使用所述计算机以沿所述通道布置所述多个操纵器的串联结合，其中所述串联结合产生定义编排的流动的流体的整体变形；以及制造其中沿通道形成有所述多个操纵器的串联结合的所述通道。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述柱跨越整个所述通道。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述柱跨越约10％至约90％之间的所述通道。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述柱沿它们各自的长度具有均一的横截面。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述柱沿它们各自的长度具有非均一的横截面。6.根据权利要求1所述的方法，其中，以聚合物或玻璃制造所述通道和操纵器。7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使流体流动通过所述通道。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数据库包括至少四个操纵器。9.一种在通道内交换围绕粒子的流体的方法，包括：启动通道内的鞘流，其中所述粒子被包含在载液中并且不存在于鞘液中；以及使所述粒子通过包括布置在所述通道内的多个操纵器的串联结合的编排，每一个操纵器包括从所述通道的表面延伸的一个或多个柱并创建与特定的操纵器相关联的惯性流动变形并且被配置为改变围绕所述粒子的流动，使得所述粒子在流过所述多个操纵器以后被包含在所述鞘液中而不包含在所述载液中。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述鞘液包括第一鞘液和第二鞘液。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述粒子被包含在所述第一鞘液中。12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括使所述粒子通过包括布置在所述通道内的多个操纵器的串联结合的编排，每一个操纵器包括从所述通道的表面延伸的一个或多个柱并且被配置为改变围绕所述粒子的流动，使得所述粒子在流过所述多个操纵器以后随后被包含在所述第二鞘液中而不包含在所述第一鞘液或所述载液中。13.一种利用通道形成单纤维的方法，包括：启动前体材料的通道内的鞘流；使所述前体材料通过包括布置在所述通道内的多个柱操纵器的串联结合的编排，所述编排被配置为以预先确...
【专利技术属性】
技术研发人员：迪诺·迪卡洛，汗默德·阿米尼，埃洛迭·索利耶，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US
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