由于微流控芯片的廣泛應(yīng)用，用于開發(fā)、測試、原型設(shè)計及設(shè)計理念的工具已經(jīng)變得至關(guān)重要。目前，先進(jìn)的制造技術(shù)，例如熱壓印、注塑成型、激光燒蝕、3D打印和聚焦離子束加工的發(fā)展，使得高質(zhì)量微流控芯片的制造成為可能。然而，利用以上技術(shù)方法制造獲得的微流控芯片較難根據(jù)用戶的需求實現(xiàn)自適應(yīng)和自調(diào)整。

模塊化系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)在于各個模塊的可復(fù)用性和可替換性。目前，對于常用的微流控單芯片而言，其組件在微流控網(wǎng)絡(luò)成功構(gòu)建后是無法被替換的，但是模塊化微流控系統(tǒng)可以通過將微流控網(wǎng)絡(luò)拆分為分散在不同模塊中的不同組件來實現(xiàn)組件的替換和重新排列。在需要一次性組件的應(yīng)用領(lǐng)域（例如出于衛(wèi)生原因）中，生物、化學(xué)、醫(yī)藥、食品公司、科學(xué)研究和教學(xué)等只是可以從這種模塊化微流控系統(tǒng)中受益的眾多領(lǐng)域中的一小部分。然而，模塊化方法的一個普遍缺點(diǎn)是需要在各個模塊之間建立密封性好的連接。雖然外形貼合的結(jié)構(gòu)設(shè)計足以實現(xiàn)各個微流控模塊在低壓狀態(tài)下的密封連接，但其制造過程必須使用玻璃管、O形圈或底板等附加組件。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自奧地利林茨大學(xué)（Johannes Kepler University Linz）的研究人員提出了一種便捷且可靠的連接技術(shù)，該技術(shù)基于磁體和澆注型O形圈結(jié)構(gòu)，無需額外的密封材料即可實現(xiàn)密封連接。該研究設(shè)計的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基模塊化微流控系統(tǒng)使用聚氨酯（PU）模具、3D打印的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）通道結(jié)構(gòu)和具有澆注型O型圈的磁性連接系統(tǒng)，并且利用了各種集成技術(shù)。在該研究中，研究人員著重對定向閥、往復(fù)泵、指狀泵、直鑄止回閥和特斯拉閥、流體流量傳感器、流體混合器、商用閥和各種傳感器的實現(xiàn)進(jìn)行了研究，并且通過不同的測試裝置驗證了這些器件的可行性。此外，研究人員還對制造過程中遇到的限制和問題以及未來的工作方向進(jìn)行了討論。相關(guān)研究成果以“A Self-Sealing Modular Microfluidic System Using PDMS Blocks With MagneticConnections”為題發(fā)表在IEEE Xplore期刊上。

具體而言，為了實現(xiàn)兩個任意微流控模塊（MMB）的簡單和靈活連接，該研究使用了一種基于釹永磁體的連接系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以直接集成到微流控模塊中。其中非常重要的是，磁體需要以合適的對準(zhǔn)方式粘接在微流控模塊上。圖1a顯示了與每個磁體相關(guān)聯(lián)的磁矩的方向。通過這種磁體的排列，可以將任意微流控模塊的每個連接接口與其它連接接口連接起來。如果微流控模塊的兩個連接接口彼此處于近場，則磁力會使接口自動對準(zhǔn)，從而使微流控模塊牢固地連接在一起。此外，由于使用澆注工藝，在每個連接接口處的O形圈結(jié)構(gòu)在芯片表面會呈現(xiàn)微小的凸起（圖1）。在各個微流控模塊成功連接后，由于吸引磁體施加的磁力作用，兩個O形圈結(jié)構(gòu)被壓在一起（圖1b），并構(gòu)建一個密封接口。由于微流控通道總是起始或者終止于O形圈結(jié)構(gòu)的中心部位，因此兩個連接的微流控模塊的通道之間建立了密封連接。此外，由于PDMS的透明性，可以觀察到兩個連接的微流控模塊的密封接口（圖1c ~ 1d）。

圖1 基于釹永磁體的連接系統(tǒng)的原理

接著，研究人員對構(gòu)建的各種微流控模塊的可用性進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，該研究設(shè)計的磁性連接系統(tǒng)具有自密封和自對準(zhǔn)特性，可以輕松連接和斷開微流控模塊，同時在約175 kPa的高壓下保持密封。此外，各種不同微流控模塊的制造演示以及所呈現(xiàn)的結(jié)果和制造更多其它類型微流控模塊的可能性，證明了該方法可廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的潛力。

圖2 僅使用可連接微流控模塊構(gòu)建的模塊化微流控網(wǎng)絡(luò)

圖3 制造的微流控混合器和閥模塊

圖4 壓力傳感器和流量傳感器微流控模塊

圖5 隔膜泵微流控模塊

綜上所述，該研究介紹了一種低成本制造PDMS微流控模塊及所需的PU模具的工藝。該工藝方法使用3D打印的ABS通道結(jié)構(gòu)，并且可以集成商用器件，因此能夠?qū)崿F(xiàn)不同潛在微流控模塊制造的巨大的靈活性和多樣性。

未來，相關(guān)研究工作將集中在制造和集成更多的傳感器，例如光學(xué)傳感器。此外，為了使用當(dāng)前的制造工藝縮小微流控系統(tǒng)的尺寸，需要一臺能夠打印可溶解聚合物的高分辨率3D打印機(jī)。但是，據(jù)報道，目前還沒有這樣的打印機(jī)。另一種選擇可能性是使用傳統(tǒng)的SU-8光刻工藝來構(gòu)建微米級尺寸的通道。為此，有必要澆注在其中心（微流控通道的位置）具有長方體鏤空結(jié)構(gòu)的PDMS微流控模塊。因此，必須使用SU-8光刻等高精度技術(shù)來構(gòu)建底部具有所需通道結(jié)構(gòu)的長方體，然后使用氧等離子體處理工藝將其以通道結(jié)構(gòu)側(cè)向下的方向鍵合到微流控模塊中。

審核編輯：劉清