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