一、研究背景与微流控芯片技术价值
微米级颗粒在微通道内的迁移与聚焦行为，是微流控芯片领域的核心基础问题之一。近年来，微流控技术凭借微量、高效、集成化的显著优势，在细胞分选、颗粒计数、生物检测、药物筛选等场景得到广泛应用。无论是器官芯片、类器官芯片，还是细胞培养芯片、细胞分选芯片，其底层都依赖于对颗粒或细胞在微流道内运动轨迹的精确操控。中国计量大学牟格辛、朱晨琳、汤金桥、吴成汇、钱丽娟团队发表于《力学与实践》的研究，以低雷诺数条件下聚乙烯吡咯烷酮（PVP）水溶液为黏弹性流体，系统考察了微米颗粒在恒定曲率蛇形微通道内的迁移规律，为微流控芯片设计与优化提供了重要的实验依据。
传统直通道中，颗粒主要受惯性升力与壁面效应支配；而蛇形微通道由于曲率的持续变化，会诱发迪安流等二次流结构，使颗粒同时承受惯性升力、弹性力与二次流拖曳力的共同作用。这种多力耦合的复杂流场，恰恰是微流控芯片加工中实现无鞘流聚焦、颗粒分离与细胞富集的关键物理基础，也为微流控芯片定制提供了可量化的设计方向。
二、蛇形微通道实验平台与微流控芯片制备
研究团队搭建了由注射泵、连接软管、微流控芯片和废液瓶组成的流动驱动模块，以及倒置显微镜、高速相机与数据采集系统构成的成像模块。所采用的微流控芯片为恒定曲率半径200 μm、宽200 μm、高100 μm、共90个弯的蛇形结构。这类高精度微流道结构通常依赖MEMS加工与微纳加工工艺实现，通过光刻、深硅刻蚀、PDMS模具浇筑与键合等步骤完成芯片制作。在PDMS微流控芯片的制备流程中，光刻胶模具或SU8模具的精度直接决定了微流道的尺寸一致性，而PDMS等离子键合机、PDMS对准平台等设备则保障了芯片封装的可靠性。
图 1 实验装置图
实验选用20 μm与30 μm两种单分散聚苯乙烯颗粒，分别对应通道阻塞比0.15与0.225。流体方面，团队制备了质量分数8%PVP水溶液、8%PVP+17.8%甘油水溶液、8%PVP+18.6%甘油水溶液以及22%甘油水溶液（牛顿流体对照），系统覆盖了不同黏度与弛豫时间的黏弹性体系。数据处理基于OpenCV机器视觉算法，实现了颗粒的自动识别、质心定位与轨迹追踪，最小像素计算精度达±0.01 μm，为微流控系统中的颗粒行为定量分析提供了可靠手段。
图 2 数据处理流程图
三、黏弹性流体中颗粒聚焦的受力机制
在蛇形微通道中，颗粒的平衡位置由弹性力FE、惯性升力FL与迪安阻力FDe的动态平衡共同决定。与牛顿流体不同，黏弹性流体中的弹性力主要源于第一法向应力梯度，其大小与粒径和流量的立方成正比，方向指向管道中心，是驱动颗粒向中心线迁移的核心动力。惯性升力则可分解为剪切梯度升力FLS与壁面诱导升力FLW，前者在通道中心区域占优，后者在壁面附近主导，整体与粒径呈四次方关系。
图 3 颗粒在蛇形微通道内的迁移全过程示意图
迪安阻力由曲率诱导的二次流产生，其强度随雷诺数与迪安数升高而增强。在蛇形通道的连续弯道中，二次流方向周期性反转，使得迪安阻力在相邻弯道中作用相反。当迪安阻力与弹性力方向一致时，二者协同克服剪切梯度升力，使聚焦带变窄、聚焦加速；当方向相反时，迪安阻力会对聚焦颗粒产生扰动，但在聚焦位置的竞争中影响相对有限。这种多力协同机制，解释了为何黏弹性聚焦能够在低雷诺数下仍实现稳定的三维空间聚焦，也为微流控芯片设计中通过通道几何参数调控颗粒行为提供了理论支撑，对微流控器件的结构创新具有直接指导意义。
四、粒径、流速与流体性质对聚焦效果的影响
实验结果表明，颗粒直径显著影响聚焦效率。在8%PVP溶液中，20 μm与30 μm颗粒从进口段即呈现向同一平面聚集的趋势；随流速从20 μL/min提升至50 μL/min，颗粒在出口直管段逐渐排列成单线，且聚焦峰的概率密度显著升高。值得注意的是，低流速下30 μm颗粒的聚焦效果反而弱于20 μm颗粒，这是因为低速时二次流强度低、弹性力不足以克服全部惯性升力；而随着流速增大，弹性力与惯性力同步增强，大粒径颗粒因受力更充分，聚焦效果迅速反超小粒径颗粒。这一发现对于细胞分选芯片、细胞迁移芯片的设计具有直接指导意义——针对不同尺寸的目标细胞，需要匹配相应的流速窗口。
流体黏度同样是关键调控参数。8%PVP+18.6%甘油水溶液黏度最高（150 mPa·s），二次流强度被显著抑制，颗粒在低流速下分布宽泛、聚焦效果较差；而8%PVP+17.8%甘油水溶液（145 mPa·s）与纯8%PVP水溶液（78 mPa·s）则表现出更优的聚焦性能。这说明黏弹性是驱动聚焦的核心，但黏度过高会削弱二次流并增大颗粒阻力，反而不利于聚焦。在微流控芯片定制中，根据目标应用选择合适的流体流变参数，与优化通道几何同等重要，这也是微流控芯片厂家在方案设计中需要重点权衡的因素。
五、对微流控芯片产业与工程化应用的启示
该研究为微流控芯片加工、微流控芯片定制及微流控芯片厂家提供了可量化的设计依据。首先，蛇形微通道结合黏弹性流体可在低流速下实现无鞘流三维聚焦，这对于降低微流控系统的驱动功耗、简化芯片结构具有重要价值，尤其适用于器官芯片、类器官芯片等需要长时间稳定培养的场景。其次，粒径与流速的协同效应提示，在细胞分选芯片、微流控生物芯片的开发中，应针对目标颗粒尺寸建立流速—聚焦效率映射关系，而非简单追求高流速。
从材料与工艺角度看，PDMS芯片因其良好的光学透明性与生物相容性，仍是基础研究与原型验证的主流选择；而在产业化阶段，玻璃芯片、COC芯片、PMMA芯片等材料凭借更好的机械性能与批量制造能力，正成为微流控芯片代工与量产的重要方向。微纳加工、MEMS加工、光刻等核心工艺的持续进步，以及微流控芯片模具、PDMS模具制备平台的不断完善，将推动微流控器件从实验室原型走向临床诊断与工业现场的规模化应用。对于微流控芯片公司而言，将基础流体力学研究成果转化为可复用的设计准则，是提升微流控平台竞争力的关键路径。
综上，这项研究通过系统的实验观测与受力分析，深化了对蛇形微通道内颗粒黏弹性聚焦行为的理解，为微流控芯片设计、微流控芯片制作及微流控技术的工程化应用提供了坚实的理论与实验支撑。未来，结合更高浓度或不同流变特性流体、多分散颗粒体系以及生物细胞等复杂对象的研究，并辅以数值模拟优化通道与流动参数，将进一步拓展微流控技术在生命科学、医学诊断与环境监测等领域的应用边界，也为微流控芯片加工行业的持续创新注入新的动力。
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