一种无泵单向灌流微流控芯片、控制方法和系统

本申请涉及微流控领域，尤其涉及一种无泵单向灌流微流控芯片、控制方法和系统。

背景技术：

1、现有无阀技术其流动是非循环、不可逆的，培养基无法回流再利用，且流速会随液面下降而衰减，控制性差，不适用于需要长期稳定灌流的细胞培养场景。在低流速、低驱动力，例如在重力摇摆所能提供的微小压差条件下，其正反向流阻比趋近于1，整流效率极低，几乎无法产生有效的净单向流。

技术实现思路

1、本申请提出一种无泵单向灌流微流控芯片、控制方法和系统，实现了通过微流控芯片自身独特的固化三维流道设计，在与外部通用摇摆平台结合的情况下，可实现被动地、自动化地将双向倾斜运动转化为微流控芯片内部闭合回路中的稳定净单向循环流。

2、为达到上述目的，本申请的实施例提供了如下技术方案：

3、一方面，提供一种无泵单向灌流微流控芯片，该微流控芯片包括衬底，所述衬底包括第一储液腔、第二储液腔、主灌注流道和倾斜流道，所述衬底包括相对的第一表面和第二表面，所述第一储液腔和所述第二储液腔均从所述第一表面延伸至所述衬底的内部；所述第一储液腔和所述第二储液腔均包括靠近所述第一表面的顶部，靠近所述第二表面的底部，以及位于所述顶部与所述底部之间的中部。

4、所述主灌注流道连通所述第一储液腔的底部与所述第二储液腔的底部；所述倾斜流道连通所述第一储液腔的中部与所述第二储液腔的中部，相较于所述第二表面，所述倾斜流道与所述第一储液腔的连接处的高度，大于所述倾斜流道与所述第二储液腔的连接处的高度。

5、本申请的上述实施例所提供的所述微流控芯片，所述微流控芯片在使用状态的情况下，向所述微流控芯片内注入工作流体，在所述微流控芯片处于平行所述第一表面的姿态，工作流体的自由液面高度满足高于所述倾斜流道与所述第二储液腔的连接处的高度，并且低于所述倾斜流道与所述第一储液腔的连接处的高度。在摇摆的第一状态的情况下，所述第一储液腔为上位腔体，所述第二储液腔为下位腔体，所述倾斜流道与所述第一储液腔的连接处的高位端口暴露于气相中，所述倾斜流道内无法形成连续的液体柱，工作流体在重力作用下从上位腔体底部，流经所述主灌注流道，抵达下位腔体底部，完成正向灌注。在摇摆的第二状态的情况下，所述第二储液腔为上位腔体，所述第一储液腔为下位腔体，所述倾斜流道与所述第一储液腔的连接处和所述倾斜流道与所述第二储液腔的连接处高度水平，所述倾斜流道形成连续液柱通路，工作流体优先通过所述倾斜流道从上位腔快速回流至下位腔，实现高效回流，同时显著抑制了所述主灌注流道的反向流动。通过重复上述摇摆过程，使得工作流体在所述微流控芯片内部形成持续、稳定的净单向循环流动。

6、在一些实施例中，所述倾斜流道的横截面积与所述主灌注流道的横截面积的比值大于或等于10。

7、在一些实施例中，所述倾斜流道的横截面积与所述主灌注流道的横截面积的比值范围为30~70。

8、在一些实施例中，所述倾斜流道的延伸方向与所述第二表面的最小夹角范围为5°~50°。

9、在一些实施例中，所述主灌注流道的形状为弯曲状。

10、另一方面，提供无泵单向灌流微流控芯片的控制方法，用于控制上述实施例中任一项所述的微流控芯片，所述控制方法包括：灌注培养液，使培养液位于所述第一储液腔、所述第二储液腔、所述主灌注流道和所述倾斜流道，相较于所述第二表面，所述培养液的液面高度大于所述倾斜流道与所述第二储液腔的连接处的高度，且小于所述倾斜流道与所述第一储液腔的连接处的高度，驱动所述微流控芯片以倾角α进行周期性摇摆，其中，所述倾斜流道的延伸方向与所述第二表面的最小夹角为θ，且α≥θ。

11、本申请的上述实施例所提供的微流控芯片的控制方法，通过培养液的初始液位、流体重力、流道几何与外部倾斜运动在物理规律下自动协同完成，从而无需任何传感器、反馈电路或者同步算法，实现了真正的“被动智能”控制。通过平缓变化的重力势能作为驱动力，无需任何机械或者流体脉冲，从而为主灌注流道中的细胞或者类器官培养腔提供了高度生理相关的低剪切力培养环境，实现理想的温和灌流环境。

12、在一些实施例中，所述倾斜流道的延伸方向与所述第二表面的最小夹角范围为5°~50°，倾角α的范围为10°~55°。

13、又一方面，提供一种无泵单向灌流系统，如上述实施例中任一项所述的微流控芯片，姿态控制装置，被配置为驱动所述微流控芯片以倾角α进行周期性摇摆；所述倾斜流道的延伸方向与所述第二表面的最小夹角为θ，且α≥θ。

14、本申请的上述实施例所提供的无泵单向灌流系统，微流控芯片的功能由一体成型的固化三维流道实现，内部无可动、易损和易疲劳的部件，从二改善了因执行器失效导致的系统故障，提高了系统的可靠性。微流控芯片本身为可大规模生产的单一结构体，成本极低，并且外部仅需一个姿态控制装置，摒弃了流体泵、气泵、电磁阀和精密控制器及复杂管路，使整个系统复杂度降低，从而实现了系统架构与控制的极致简化。简化的芯片结构和驱动方式，使得在单个标准摇摆平台上高密度并行运行数十乃至上百个独立实验成为可能，从而极具成本效益，非常适合于药物筛选、条件优化等高通量应用场景。

1.一种无泵单向灌流微流控芯片，其特征在于，包括衬底，所述衬底包括第一储液腔、第二储液腔、主灌注流道和倾斜流道；

2.根据权利要求1所述的无泵单向灌流微流控芯片，其特征在于，所述倾斜流道的横截面积与所述主灌注流道的横截面积的比值大于或等于10。

3.根据权利要求2所述的无泵单向灌流微流控芯片，其特征在于，所述倾斜流道的横截面积与所述主灌注流道的横截面积的比值范围为30~70。

4.根据权利要求1所述的无泵单向灌流微流控芯片，其特征在于，所述倾斜流道的延伸方向与所述第二表面的最小夹角范围为5°~50°。

5.根据权利要求1所述的无泵单向灌流微流控芯片，其特征在于，所述主灌注流道的形状为弯曲状。

6.一种无泵单向灌流微流控芯片的控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1~5中任一项所述的微流控芯片；

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述倾斜流道的延伸方向与所述第二表面的最小夹角范围为5°~50°，倾角α的范围为10°~55°。

8.一种无泵单向灌流系统，其特征在于，包括：