Микрофлюидальная система (варианты), способ ее изготовления и способ управления потоком текучей среды
Устройство предназначено для использования в области биотехнологии и фармацевтики, а также в микроканальных системах охлаждения, связанных с микроэлектроникой. Согласно изобретению предложены микрофлюидальные системы, способ изготовления микрофлюидальной системы и способ управления или манипулирования потоком текучей среды через микроканалы микрофлюидальной системы. Внутренняя сторона стенки микроканала снабжена исполнительными элементами, которые могут изменять форму и ориентацию, реагируя на внешнее стимулирующее воздействие. Посредством этого изменения формы и ориентации можно управлять и манипулировать потоком текучей среды через микроканал. Система компактна, дешева и проста в обработке. 5 н. и 14 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.
Область техники
Настоящее изобретение относится к микрофлюидальным системам, к способу изготовления такой микрофлюидальной системы и к способу управления или манипулирования потоком текучей среды через микроканалы такой микрофлюидальной системы.
Микрофлюидальные системы можно использовать в биотехнологических и фармацевтических приложениях, а также в микроканальных системах охлаждения в приложениях, связанных с микроэлектроникой. Микрофлюидальные системы в соответствии с настоящим изобретением компактны, дешевы и просты в обработке.
Микрофлюидальная техника относится к области, которая основана на многих дисциплинах, включая физику, химию, прикладные дисциплины и биотехнологию, и в которой исследуют поведение текучих сред в объемах, в тысячи раз меньших, чем обычная капля. Микрофлюидальные компоненты образуют основу так называемых устройств типа «лаборатория на чипе» или сеток биочипов, которые могут обрабатывать микролитровые и нанолитровые объемы текучей среды и проводить высокочувствительные аналитические измерения. Способы изготовления, используемые для создания микрофлюидальных устройств, относительно недороги и приемлемы как для получения усложненных устройств, требующих больших трудозатрат, так и для массового производства. Точно также как технологии для микроэлектроники, микрофлюидальные технологии обеспечивают изготовление устройств с высокой степенью интеграции для выполнения нескольких различных функций на одном и том же чипе подложки.
Микрофлюидальные чипы становятся ключевой основой для многих современных быстроразвивающихся технологий, таких как быстрая селекция и сортировка ДНК по размеру, манипуляции с клетками, клеточный сортинг и молекулярное детектирование. Помимо всего остального микрофлюидальная техника является важной составляющей в попытках разработки генных чипов и белковых чипов.
Во всех микрофлюидальных устройствах существует основополагающая потребность в управлении потоком текучей среды, то есть текучие среды нужно транспортировать, смешивать, разделять и направлять через микроканальную систему, состоящую из каналов, типичная ширина которых составляет около 0,1 мм. Проблема в осуществлении микрофлюидальных исполнительных механизмов заключается в том, чтобы разработать компактную и надежную микрофлюидальную систему для регулирования потока сложных текучих сред разного состава, например слюны или цельной крови, или манипулирования этим потоком в микроканалах. Разработаны различные исполнительные механизмы, которые и используются в настоящее время, например схемы с приводом от давления, механические клапаны и насосы, изготовленные по микротехнологии, насосы типа тех, которые применяются в струйных принтерах, потоки, управляемые электрокинетическими средствами, и поверхностные звуковые волны.
Применение технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) к микрофлюидальным устройствам стимулировало разработку микронасосов для транспортировки множества жидкостей в широком диапазоне расходов и давлений.
В документе US 2003/0231967 предложен узел 11 микронасоса для использования в микрогазовом хроматографе и т.п. с целью приведения газа в движение через хроматограф. Узел 11 микронасоса (фиг.1) включает в себя микронасос 22, имеющий последовательно расположенные полости насоса, подвергнутые микромеханической обработке, соединенные микроклапанами 24. Общая насосная мембрана делит полость на верхнюю и нижнюю насосные камеры. Привод обеих насосных камер осуществляет упомянутая общая насосная мембрана, которая может представлять собой полимерную пленку, такую, как париленовая (parylene) пленка. Движение насосной мембраны и регулирование общего микроклапана синхронизированы для управления потоком текучей среды через пару блоков насоса в ответ на множество электрических сигналов.
Узел 11 также содержит впускную трубку 2 6 и выпускную трубку 28. Таким образом, операция перекачивания запускается электростатическим образом посредством оттягивания мембран насоса и клапана вниз в определенном цикле. За счет запланированной подачи электрического сигнала определенным образом, можно посылать газ в том или ином (обратном) направлении. При наличии электродов на обеих сторонах мембрана с электростатическим приводом легко преодолевает механические ограничения колебаний и демпфирования, возникающие из-за движения сопротивляющегося воздуха через отверстия и полости.
Узел 11 микронасоса (US 2003/0231967) является примером мембранного объемного насоса, в котором отклонение мембран, изготовленных посредством микромеханической обработки, обеспечивает работу по перекачиванию жидкостей.
Вместе с тем, недостаток применения узла 11 микронасоса (US 2003/0231967) и применения микронасосов вообще заключается в том, что они должны быть некоторым образом встроены в микрофлюидальные системы. Это означает, что размер микрофлюидальных систем будет увеличиваться. Следовательно, было бы полезно иметь микрофлюидальную систему, которая является компактной и дешевой, при этом простой в обработке.
Технической задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной микрофлюидальной системы и способа ее изготовления и эксплуатации. К преимуществам настоящего изобретения можно отнести, по меньшей мере, одно из таких качеств, как компактность, дешевизна и простота в обработке.
Поставленная задача решена путем создания способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Конкретные и предпочтительные аспекты изобретения приведены в прилагаемых независимых и зависимых пунктах формулы изобретения. Признаки зависимых пунктов формулы изобретения могут быть объединены с признаками независимых пунктов формулы изобретения и с признаками других зависимых пунктов формулы изобретения в соответствии с предназначением, а не просто потому, что эта возможность явно указана в пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту изобретения предложена микрофлюидальная система, содержащая, по меньшей мере, один микроканал, имеющий стенку с внутренней стороной, причем микрофлюидальная система дополнительно содержит
множество цилиарных (ресничных) исполнительных элементов, прикрепленных к внутренней стороне стенки, при этом каждый цилиарный исполнительный элемент имеет форму и ориентацию, и
средство для приложения стимулирующих воздействий к множеству цилиарных исполнительных элементов, чтобы вызывать изменение их формы и/или ориентации.
Приложение стимулирующих воздействий к множеству цилиарных исполнительных элементов обеспечивает способ локального манипулирования потоком сложных текучих сред в микрофлюидальной системе. Исполнительные элементы могут приводиться в движение или адресоваться по отдельности или по группам для получения конкретных путей для потока текучей среды.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, исполнительные элементы могут быть полимерными исполнительными элементами и могут содержать, например, полимерные МЭМС. Полимерные материалы обычно являются ударно-вязкими, а не хрупкими, относительно дешевыми, упругими, позволяют достичь больших относительных деформаций (до 10%), и допускают возможность обработки на больших площадях поверхности посредством простых процессов. Следовательно, они пригодны, в частности, для формирования исполнительных элементов в соответствии с настоящим изобретением.
Средство для приложения стимулирующего воздействия к множеству цилиарных исполнительных элементов может быть одним из средств генерирования электрического поля (например, источника тока), средства генерирования электромагнитного поля (например, источника света), средства генерирования внешнего или внутреннего магнитного поля или средства нагрева.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения средство приложения стимулирующего воздействия к цилиарным исполнительным элементам может быть средством генерирования магнитного поля. Тогда исполнительные элементы могут содержать одну из таких составляющих, как однородный непрерывный магнитный слой, непрерывный магнитный слой в виде рисунка или магнитные частицы.
В вариантах осуществления изобретения множество цилиарных исполнительных элементов может быть расположено в первом и втором рядах, причем первый ряд исполнительных элементов может находиться в первом положении на внутренней стороне стенки, а второй ряд исполнительных элементов может находиться во втором положении на внутренней стороне стенки, при этом первое положение и второе положение находятся, по существу, напротив друг друга.
В других вариантах осуществления настоящего изобретения множество цилиарных исполнительных элементов может быть расположено во множестве рядов исполнительных элементов, которые образуют двумерный массив.
В дополнительных вариантах осуществления настоящего изобретения множество цилиарных исполнительных элементов может быть расположено в произвольном порядке на внутренней стороне стенки микроканала.
Согласно второму аспекту согласно изобретению предложен способ изготовления микрофлюидальной системы, содержащей, по меньшей мере, один микроканал.
Способ заключается в том, что
снабжают внутреннюю сторону стенки, по меньшей мере, одного микроканала множеством цилиарных исполнительных элементов и
используют средство для приложения стимулирующего воздействия к множеству цилиарных исполнительных элементов.
Снабжение цилиарными исполнительными элементами можно осуществить посредством
осаждения удаляемого слоя, имеющего длину L, на внутренней стороне стенки,
осаждения материала исполнительных элементов поверх удаляемого слоя,
высвобождения материала исполнительных элементов с внутренней стороны стенки путем полного удаления удаляемого слоя.
Удаление удаляемого слоя можно осуществить посредством травления.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения способ может дополнительно предусматривать снабжение цилиарных исполнительных элементов однородным непрерывным магнитным слоем или непрерывным магнитным слоем в виде рисунка или магнитных частиц. Снабжение средством для приложения стимулирующего воздействия к цилиарным исполнительным элементам может включать в себя снабжение средством генерирования магнитного поля.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предложен способ управления потоком текучей среды через микроканал микрофлюидальной системы. Микроканал имеет стенку с внутренней стороной. Способ заключается в том, что
снабжают внутреннюю сторону стенки множеством цилиарных исполнительных элементов, причем каждый исполнительный элемент имеет форму и ориентацию,
прикладывают стимулирующее воздействие к исполнительным элементам, вызывая изменение их формы и/или ориентации.
В конкретном варианте осуществления изобретения приложение стимулирующего воздействия к исполнительным элементам можно осуществить путем приложения магнитного поля.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предложена микрофлюидальная система, содержащая, по меньшей мере, один микроканал, имеющий стенку с внутренней стороной, причем микрофлюидальная система дополнительно содержит
множество электроактивных полимерных исполнительных элементов, прикрепленных к внутренней стороне стенки, и
средство для приложения стимулирующих воздействий к множеству электроактивных полимерных исполнительных элементов с тем, чтобы привести жидкость в движение в направлении вдоль микроканала.
Электроактивный полимерный исполнительный элемент может содержать полимерный гель, композит «иономерный полимер-металл» (КИПМ), или другой подходящий электроактивный полимерный материал.
Микрофлюидальная система в соответствии с изобретением может быть применена в биотехнологических, фармацевтических, электрических или электронных приложениях.
Эти и другие характеристики, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют на примерах принципы изобретения, на которых:
фиг.1 изображает известный узел микронасоса;
фиг.2 - пример цикла маха реснички, иллюстрирующий рабочий такт и такт возврата, согласно изобретению;
фиг.3 - волну ресничек, демонстрирующую их взаимодействие в метахронной волне, согласно изобретению;
фиг.4 - гибкую структуру полимерной МЭМС и соответствующую реагирующую поверхность, покрытую такой гибкой структурой полимерной МЭМС, согласно изобретению;
фиг.5 - схему одиночного полимерного исполнительного элемента, согласно изобретению;
фиг.6 - схему микроканала, внутренняя сторона стенки которого покрыта прямыми полимерными исполнительными элементами, согласно изобретению;
фиг.7 - схему поперечных сечений микроканала, внутренняя сторона стенки которого покрыта полимерными исполнительными элементами, которые завиваются и распрямляются, согласно другому варианту осуществления изобретения;
фиг.8 - схему поперечных сечений микроканала, внутренняя сторона стенки которого покрыта полимерными исполнительными элементами, которые совершают асимметричное движение взад и вперед, согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.9 - полимерный исполнительный элемент, содержащий непрерывный магнитный слой, согласно изобретению;
фиг.10 - полимерный исполнительный элемент, содержащий магнитные частицы, согласно изобретению;
фиг.11 - схему приложения однородного магнитного поля к прямому полимерному исполнительному элементу, согласно изобретению;
фиг.12 - схему приложения вращающегося магнитного поля к отдельным полимерным исполнительным элементам, согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.13 - схему приложения неоднородного магнитного поля с помощью электропроводной шины для приложения крутящего момента к полимерному исполнительному элементу, согласно дополнительному варианту осуществления изобретения;
фиг.14 - иллюстрацию работы исполнительного элемента из композита «иономерный полимер-металл» (КИПМ), который может включать в себя полимеры, например перфторкарбонатный или перфторсульфонатный исполнительный элемент, согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Ниже настоящее изобретение будет описано со ссылками на конкретные варианты его осуществления со ссылками на чертежи, объем притязаний изобретения ограничивается только формулой изобретения. Масштаб размеров некоторых элементов на чертежах может быть преднамеренно увеличен в иллюстративных целях. В тех случаях, когда в описании и в формуле изобретения употребляется термин «содержащий», он не исключает другие элементы или этапы. Все случаи употребления существительных в единственном числе включают в себя и множественное число таких существительных, если конкретно не указано иное.
Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.п. употребляются в описании и формуле изобретения для установления различий между аналогичными элементами и не обязательно отражают последовательный или хронологический порядок. Следует понять, что употребляемые термины являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, а описываемые варианты осуществления настоящего изобретения работоспособны при последовательностях операций, отличающихся от тех, которые описаны или проиллюстрированы.
Кроме этого, термины «сверху», «снизу», «над», «под» и т.п. употребляются в описании и формуле изобретения в описательных целях. Употребляемые термины являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, а описываемые здесь варианты осуществления настоящего изобретения работоспособны при ориентациях, отличающихся от тех, которые описаны или проиллюстрированы.
Согласно первому аспекту предложена микрофлюидальная система, снабженная средствами, которые обеспечивают транспортировку либо (локальное) смешивание или направление текучих сред через микроканалы микрофлюидальной системы. Согласно второму аспекту предложен способ изготовления такой микрофлюидальной системы. Согласно третьему аспекту изобретения предложен способ управления потоком текучей среды через микроканалы микрофлюидальной системы. Микрофлюидальные системы в соответствии с изобретением экономичны и просты в обработке, устойчивы к внешним воздействиям, компактны и пригодны для очень сложных текучих сред.
Микрофлюидальная система в соответствии с изобретением содержит, по меньшей мере, один микроканал и встроенные микрофлюидальные элементы, также называемые встроенными исполнительными элементами, на внутренней стороне стенки упомянутого, по меньшей мере, одного микроканала. В любом из вариантов осуществления настоящего изобретения исполнительные механизмы могут быть, например униморфами, биморфами или мультиморфами. В соответствии с изобретением встроенные микрофлюидальные элементы предпочтительно могут быть выполнены на основе полимерных материалов. Подходящие материалы раскрыты в "Electroactive Polymer (ЕАР) Actuators as Artificial Muscles", ed. Bar-Cohen, SPIE Press («Исполнительные механизмы из электроактивных полимеров (ЭАП) в качестве искусственных мышц», редактор Бар-Коэн, издательство ЭсПиАйИ-Пресс), 2004 г. Вместе с тем, для исполнительных элементов можно использовать и другие материалы. Материалы, которые можно использовать для формирования исполнительных элементов в соответствии с настоящим изобретением должны быть такими, чтобы сформированные исполнительные элементы имели следующие характеристики:
исполнительный элемент должен быть податливым, т.е. нежестким;
исполнительный элемент должен быть ударно-вязким, не хрупким;
исполнительные элементы должны реагировать на некоторое стимулирующее воздействие, например воздействие светом, электрическим полем, магнитным полем, и т.д., изгибаясь или изменяя форму; и
исполнительные элементы должны быть простыми в обработке посредством относительно дешевых процессов.
Материал, который используется для формирования исполнительных элементов, должен иметь функциональные свойства в зависимости от типа стимулирующего воздействия на исполнительные элементы. Рассматривая первую, вторую и четвертую характеристики из вышеуказанного краткого списка, отмечаем, что полимеры предпочтительны, по меньшей мере, для части исполнительных механизмов. В соответствии с настоящим изобретением можно использовать большинство типов полимеров, за исключением очень хрупких полимеров, таких, как полистирол, которые не очень подходят для использования с настоящим изобретением. В некоторых случаях, например, в случае электростатического или магнитного принципа действия исполнительных элементов (см. далее) - можно использовать металлы для формирования исполнительных элементов, или металлы могут быть частью исполнительных элементов, например, в составе композитов типа «иономерный полимер-металл» (КИПМ). Например, при использовании магнитного принципа действия исполнительных элементов для формирования исполнительных элементов можно использовать FeNi или другой магнитный материал. Вместе с тем, недостатком металлов являются механическая усталость и стоимость обработки.
В соответствии с изобретением, можно использовать все подходящие материалы, т.е. материалы, которые способны изменять форму, например, посредством механической деформации в ответ на внешнее воздействие. Традиционные материалы, которые демонстрируют эту механическую реакцию и которые могут быть применены для формирования исполнительных элементов с целью их использования при осуществлении способов в соответствии с настоящим изобретением, могут быть электроактивными пьезоэлектрическими керамическими материалами, например, такими, как титанат бария, кварц или цирконат-титанат свинца (PZT). Эти материалы могут реагировать расширением на прикладываемое внешнее стимулирующее воздействие, например, прикладываемое электрическое поле. Вместе с тем, важный недостаток электроактивных керамических материалов состоит в том, что они являются хрупкими, т.е. они довольно легко ломаются. Помимо этого, важный недостаток технологии обработки электроактивных керамических материалов заключается в том, что она является довольно дорогостоящей и не может быть реализована на больших площадях поверхности. Следовательно, электроактивные
керамические пьезоэлектрические материалы могут оказаться пригодными лишь в ограниченном количестве случаев.
Более исследованным в последнее время классом реакционно-способных материалов является класс сплавов, обладающих памятью формы (СОПМ). Это - металлы, которые демонстрируют способность возвращаться к запомненной форме или размерам, когда их нагревают выше некоторой температуры. Таким образом, стимулирующим воздействием в данном случае является изменение температуры. Вообще говоря, такие металлы могут деформироваться при низких температурах и будут возвращаться к своей исходной форме под воздействием высокой температуры за счет фазового превращения, которое происходит при критической температуре. Примерами таких СОПМ могут быть NiTi или сплавы на основе меди и алюминия (например, CuZnAl и CuAl). СОПМ также имеют некоторые недостатки и поэтому в ряде случаев, когда эти материалы можно использовать для формирования исполнительных элементов, также существуют ограничения. Эти сплавы являются относительно дорогими в изготовлении и механической обработке, непростой оказывается и обработка больших площадей их поверхности. Кроме того, большинство СОПМ имеют неудовлетворительные свойства усталости, а это означает, что материал может отказать после ограниченного количества циклов нагрузки.
Другие материалы, которые можно использовать, включают в себя все формы электроактивных полимеров (ЭАП). Их можно весьма обобщенно подразделить на два класса: ионные и электронные. Электронно-активируемые ЭАП включают в себя любые из электрострикционных (например, электрострикционных графт-полимеров), электростатических (диэлектрических),
пьезоэлектрических, магнитных, электровязкоупругих,
жидкокристаллических эластомерных полимеров и полимеров, возбуждаемых сегнетоэлектрическим воздействием. Ионные ЭАП включают в себя гели, такие, как ионополимерные гели, композиты «иономерный полимер-металл» (КИПМ), электропроводные полимеры и карбоновые нанотрубки. Эти материалы могут демонстрировать проводящие или фотонные свойства или могут быть химически активируемыми, т.е. могут деформироваться неэлектрическими средствами. Любые из вышеупомянутых ЭАП могут быть выполнены с возможностью изгиба со значительной реакцией искривления и могут быть использованы, например, в форме цилиарных исполнительных механизмов.
В соответствии с настоящим изобретением исполнительные элементы в предпочтительном варианте могут быть сформированы из полимерных материалов или могут включать их в себя в качестве части. Поэтому в нижеследующем тексте изобретение будет описано на примерах полимерных исполнительных элементов. Вместе с тем, специалист в данной области техники поймет, что настоящее изобретение также применимо и в случае, когда для формирования исполнительных элементов используются другие материалы, а не те полимеры, которые описаны выше. В общем случае, полимерные материалы являются ударно-вязкими, а не хрупкими, относительно дешевыми, упругими, позволяя достичь больших относительных деформаций (до 10%), и допускают перспективу обрабатываемости на больших площадях поверхности посредством простых процессов.
Микрофлюидальную систему в соответствии с настоящим изобретением можно использовать в биотехнологических приложениях, таких, как микросистемы общего анализа, микрофлюидальная диагностика, микрофабрики и химические и биохимические микроустановки, быстрая селекция и сортировка ДНК по размеру, манипуляции с клетками и клеточный сортинг, в фармацевтических приложениях, в частности, при высокопроизводительном комбинаторном тестировании, где существенным является локальное смешивание, и в микроканальных системах охлаждения, например в приложениях, связанных с микроэлектроникой.
Согласно одному аспекту изобретения характер работы исполнительных микромеханизмов, в частности полимерных исполнительных микромеханизмов, в соответствии с изобретением определяется природой. Природе известны многие пути манипуляций с текучими средами в малых масштабах, например, в масштабах 1-100 микрон. Одним конкретным обнаруженным механизмом является тот, который работает благодаря покрытию из совершающих махи ресничек на внешней поверхности микроорганизмов, например, таких, как Paramecium, pleurobrachia и opaline. Для удаления загрязнений также используется зазор между подвижными ресничками, как в бронхах и носу млекопитающих. Ресничка может быть видна как прикрепленный к поверхности маленький волосок или гибкий стерженек, который, например, в простейших одноклеточных животных организмах (протозоа) может иметь типичную длину 10 мкм и типичный диаметр 0,1 мкм. Помимо исполнения роли движительного механизма для микроорганизмов, другими функциями ресничек являются очистка жабр, питание, выделение веществ из организма и размножение. Например, трахея человека покрыта ресничками, которые транспортируют слизь вверх из легких. Реснички также используются для создания питающих потоков неподвижными организмами, которые прикреплены к жесткой подложке длинным черенком. Комбинированное действие движения ресничек с периодическим удлинением и укорочением черенка создает хаотический вихрь. Это приводит к хаотическому поведению окружающей текучей среды при фильтрации.
Вышеуказанные рассуждения иллюстрируют тот факт, что реснички можно использовать для транспортировки и/или смешивания текучей среды в микроканалах. Уже много лет механизмами движения ресничек и течения интересуются и зоологи, и механики, специализирующиеся в области текучих сред. Мах одиночной реснички можно разделить на две фазы: т.е. первый, рабочий такт (кривые 1-3 на фиг.2), когда ресничка сообщает жидкости движение в нужном направлении, и такт возврата (кривые 4-7 на фиг.2), когда ресничка стремится минимизировать свое влияние на движение генерируемое движением текучей среды. В природе движение текучей среды обуславливается высокими концентрациями ресничек в рядах вдоль и поперек поверхности организма. Движения соседних ресничек происходят не в фазе, и это явление называется метахронизмом. Таким образом, движение ресничек проявляет себя как волна, проходящая по организму. На фиг.3 представлена такая волна 8 ресничек, демонстрируя их взаимодействие в метахронной волне. Модель, которая описывает движение текучей среды за счет ресничек, опубликована Дж. Блейком (J.Blake) в статье "A model for the micro-structure in ciliated organisms", J.Flud. Mech. («Модель микроструктуры в реснитчатых организмах», Журнал механики текучих сред), 55, стр.1-23 (1972). В этой статье описан тот факт, что влияние ресничек на течение текучих сред моделируется путем представления ресничек как совокупности стоксовых барьеров вдоль их центральной линии, которые можно наблюдать как точечные силы внутри текучей среды. Движение стоксовых барьеров во времени заранее задано, так что можно рассчитать получаемый поток текучей среды. Можно рассчитать не только поток, обуславливаемый одиночной ресничкой, но и поток, обуславливаемый совокупностью ресничек, покрывающих одиночную стенку, в предположении расположенного поверх них бесконечного слоя текучей среды, движущегося в соответствии с метахронной волной.
Подход, посредством которого находит применение предпочтительный аспект настоящего изобретения, заключается в имитации подобных проводимым ресничками манипуляциям с текучей средой в микроканалах за счет покрытия стенок микроканалов «искусственными ресничками» на основе микроскопических полимерных исполнительных элементов, т.е. полимерных структур, изменяющих свою форму и/или размер в ответ на некоторое внешнее стимулирующее воздействие. Поэтому в одном аспекте изобретения предложено гидравлическое проточное устройство, такое как насос, имеющий средства для искусственной цилиарной метахронной активности. В нижеследующем описании микроскопические исполнительные элементы, такие как полимерные исполнительные элементы, могут также именоваться исполнительными механизмами, например полимерными исполнительными механизмами или микрополимерными исполнительными механизмами, исполнительными элементами, микрополимерными исполнительными элементами или полимерными исполнительными элементами. Следует также отметить, что при употреблении любых из этих терминов в дальнейшем описании всегда имеются в виду одни и те же микроскопические исполнительные элементы, соответствующие изобретению. Например, микрополимерные исполнительные элементы или полимерные исполнительные механизмы могут быть приведены в движение по отдельности или по группам любым подходящим внешним стимулирующим воздействием. Этим внешним стимулирующим воздействием может быть, например, электрическое поле, например, такое, которое создается током, электромагнитное излучение, например, такое, как видимый свет, ультрафиолетовый свет и инфракрасный свет, магнитное поле, изменение температуры, особый вид химических веществ, изменение pH или любое другое подходящее средство.
В соответствии с изобретением можно использовать исполнительные элементы, выполненные из материалов, которые могут реагировать на изменения температуры и ультрафиолетовый свет, воду, молекулы, электростатическое поле, магнитное поле, электрическое поле. Подходящие материалы можно найти в вышеупомянутой книге Бар-Коэна. Основная идея изобретения, базирующаяся на манипуляциях с текучими средами в мелких масштабах посредством искусственных ресничек, не зависит от материала, из которого выполнено исполнительное средство. Вместе с тем, например, для биомедицинских приложений могут оказаться предпочтительными средства, основанные на световом и магнитном принципе действия исполнительных элементов, если учесть возможные взаимодействия со сложными биологическими текучими средами, могущие происходить при использовании других материалов для формирования исполнительных элементов.
В описании основное внимание будет уделено магнитному принципу действия исполнительных элементов. Однако следует понять, что в соответствии с настоящим изобретением можно также использовать другие стимулирующие воздействия. Например, это могут быть электрические стимулирующие воздействия, изменения температуры, свет, и т.д. Примером полимерного материала, который можно использовать для формирования исполнительных элементов, подвергающихся электрическому стимулирующему воздействию, может быть сегнетоэлектрический полимер, а именно поливинилиденхлорид (ПВДХ). Вообще говоря, все подходящие полимеры с малым коэффициентом упругой деформации и большой диэлектрической проницаемостью можно использовать для внесения большой деформации в исполнительные элементы, подвергая их воздействию электрического поля. Другими подходящими полимерами могут быть материалы типа композитов «иономерный полимер металл» (КИПМ) или, например, перфторсульфонат и перфторкарбонат. Иллюстрация работы таких исполнительных элементов из перфторсульфоната и перфторкарбоната показана на фиг.14. Примерами полимерных материалов, побуждаемых к движению температурой, могут быть полимеры, обладающие памятью формы (ПОПФ), которые представляют собой полимерные гели, реагирующие на тепло.
На фиг.4 и 5 показан пример полимерного исполнительного элемента 30 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В левой части на фиг.4 представлен исполнительный элемент 30, который реагирует на внешне стимулирующее воздействие, например электрическое либо магнитное поле или иное воздействие, изгибаясь вверх и вниз. В правой части на фиг.4 изображено поперечное сечение в направлении, перпендикулярном внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33, который покрыт исполнительными элементами 30. Исполнительные элементы 30 в правой части фиг.4 могут реагировать на внешнее стимулирующее воздействие, изгибаясь слева направо. Полимерный исполнительный элемент 30 содержит полимерную микроэлектромеханическую систему или полимерную МЭМС 31 и крепежное средство 32 для крепления полимерной МЭМС 31 к микроканалу 33 микрофлюидальной системы. Крепежное средство 32 может быть расположено на первой оконечности полимерной МЭМС 31.
Крепежное средство 32 сохраняется. Свободностоящий элемент (крепящийся к средству 32) получают с зазором снизу, который имеет размер изначально присутствующего удаляемого слоя и может быть получен, например, посредством стандартной обработки, предложенной фирмой Microsystems.
Полимерная МЭМС 31 может иметь форму балки. Однако изобретение не ограничивается МЭМС, имеющей форму балки, и полимерный исполнительный элемент 30 может также содержать полимерные МЭМС 31, имеющие другие подходящие формы, предпочтительно - продолговатые формы, например форму стержня.
Далее будет описан вариант осуществления, поясняющий, как можно сформировать исполнительный элемент 30, крепящийся к микроканалу 33, в соответствии с изобретением.
Исполнительные элементы 30 можно крепить к внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33 различными возможными способами. Первый способ заключается в креплении исполнительных элементов 30 к внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33 посредством осаждения, например центрифугированием, испарением или другим подходящим методом осаждения слоя материала, из которого будут сформированы исполнительные элементы 30 на удаляемом слое. Следовательно, сначала можно осадить удаляемый слой на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33. Удаляемый слой может состоять, например, из металла (например, алюминия), оксида (например, SiOx), нитрида (например, SixNiy) или полимера. Материал, из которого состоит удаляемый слой, должен быть таким, чтобы его можно было селективно вытравить по отношению к материалу, из которого выполнен исполнительный элемент, и можно было осаждать на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33 на подходящей ее длине. В некоторых вариантах осуществления удаляемый слой можно осаждать, например, по всей площади поверхности внутренней стороны 35 стенки 36 микроканала 33, а в типичном случае эти площади составляют порядка нескольких сантиметров. Однако в других вариантах осуществления удаляемый слой можно осаждать на длине L, эта длина L может быть такой же длиной, как длина исполнительного элемента 30, которая может в типичном случае находиться в диапазоне от 10 до 100 мкм. В зависимости от используемого материала удаляемый слой может иметь толщину в диапазоне между 0,1 и 10 мкм.
На следующем этапе поверх удаляемого слоя на одну сторону удаляемого слоя осаждают слой полимерного материала, который потом образует полимерную МЭМС 31. После этого удаляемый слой можно удалить путем травления удаляемого слоя под полимерной МЭМС 31. Таким образом, можно высвободить полимерный слой с внутренней стороны 35 стенки 36 микроканала 33 на длине L (фиг.4), причем эта часть образует полимерную МЭМС 31. Часть полимерного слоя, которая остается прикрепленной к внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33, образует крепежное средство 32 для крепления полимерной МЭМС к микроканалу 33, конкретнее к внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33.
Другой способ формирования исполнительного элемента 30 в соответствии с настоящим изобретением может заключаться в использовании энергоемких прикладных средств получения поверхностей с рисунком на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33 перед нанесением полимерного материала. В этом случае на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33, где будут крепиться исполнительные элементы 30, формируют рисунок таким образом, что получаются области с разными поверхностными энергиями. Этого можно добиться подходящими методами, например литографией или печатью. Следовательно, слой материала, из которого будут выполнены исполнительные элементы 30, осаждают и структурируют каждый раз подходящими методами, известными специалисту в данной области техники. Этот слой будет прочно прикреплен снизу к некоторым областям с внутренней стороны 35 стенки 36, именуемым далее областями сильной адгезии, и непрочно прикреплен к другим областям с внутренней стороны 35 стенки 36, именуемым далее областями слабой адгезии. После этого оказывается возможным самопроизвольное высвобождение упомянутого слоя в областях слабой адгезии, тогда как этот слой остается прикрепленным в областях сильной адгезии. Тогда области сильной адгезии могут образовывать крепежное средство 32. Таким образом, оказывается возможным получение самоформирующихся свободностоящих исполнительных элементов 30.
Элементы 30, полученные посредством такой технологии, не нужно располагать в направлении, по существу, параллельном стенке 36 канала, как предлагается на всех чертежах данной заявки.
Полимерная МЭМС 31 может, например, содержать полимер акрилата, полимер поли(этиленгликоля), содержащий сополимеры, или может содержать другой подходящий полимер. В предпочтительном варианте, полимеры полимерной МЭМС 31 образованы или должны быть образованы биосовместимыми полимерами, так что они имеют минимальные (био) химические взаимодействия с текучей средой в микроканалах 33 или компонентами текучей среды в микроканалах 33. В альтернативном варианте полимерные исполнительные элементы 30 можно модифицировать, чтобы обеспечить возможность управления их свойствами удельного поглощения и смачиваемостью. Например, полимерная МЭМС 31 может содержать композиционный материал, т.е. она может содержать наполненный частицами материал матрицы или многослойную структуру. Следует также отметить, что в соответствии с настоящим изобретением можно использовать материалы на основе жидкокристаллических полимерных сеток.
В незадействованном состоянии, т.е. когда к исполнительному элементу 30 не приложено стимулирующее воздействие, полимерная МЭМС 31, которая в конкретном примере может иметь форму балки, либо изогнута, либо прямолинейна. Внешне стимулирующее воздействие, например электрическое поле, создаваемое током, электромагнитное излучение, такое, как свет, магнитное поле, изменение температуры, присутствие конкретного вида химических веществ, изменение pH или любое другое подходящее средство, прикладываемое к полимерным исполнительным элементам 30, заставляет их изгибаться или выпрямляться, т.е. приводит их в движение. Изменение формы исполнительных элементов 30 приводит окружающую текучую среду, которая присутствует в микроканале 33 микрофлюидальной системы, в движение. На фиг.4 изгиб полимерной МЭМС обозначен стрелкой 34, а на фиг.5 он показан пунктирной линией. Благодаря креплению одного конца исполнительного элемента 30 к стенке 36, получаемое движение напоминает движение ресничек, описанное ранее.
В соответствии с вышеописанным аспектом изобретения полимерная МЭМС 31 может иметь длину L в диапазоне от 10 до 200 мкм, а в типичном случае около 100 мкм, и может иметь ширину w в диапазоне от 2 до 30 мкм, а в типичном случае около 20 мкм. Полимерная МЭМС 31 может иметь толщину t в диапазоне от 0,1 мкм до 2 мкм, а в типичном случае около 1 мкм. На фиг.6 изображен вариант осуществления микроканала 33, снабженного полимерными исполнительными средствами согласно настоящему изобретению. В этом варианте осуществления показан пример конструкции части микрофлюидальной системы. Здесь условно изображено поперечное сечение микроканала 33. В соответствии с этим первым вариантом осуществления изобретения, внутренние стороны 35 стенок 36 микроканалов 33 могут быть покрыты множеством прямых полимерных исполнительных элементов 30. Для ясности показана только часть полимерной МЭМС 31 исполнительного элемента 30. Полимерная МЭМС 31 может двигаться взад и вперед под влиянием внешнего стимулирующего воздействия, прикладываемого к исполнительным элементам 30. Как уже говорилось, внешним стимулирующим воздействием может быть, например, электрическое поле, электромагнитное излучение, изменение температуры, магнитное поле или другое подходящее средство. Исполнительные элементы 30 могут содержать полимерную МЭМС 31, которая может иметь, например, стержнеобразную форму или балкообразную форму, при этом ширина элементов проходит в направлении, выходящем из плоскости чертежа.
В вариантах осуществления изобретения исполнительные элементы 30 на внутренних сторонах 35 стенок 36 микроканалов могут быть расположены в одном или нескольких рядах. Лишь в качестве примера отметим, что исполнительные элементы 30 могут быть расположены в двух рядах исполнительных элементов 30, т.е. в первом ряду исполнительных элементов 30 в первом положении на внутренней стороне 35 стенки 36, и во втором ряду исполнительных элементов 30 во втором положении на внутренней стороне 35 стенки 36, при этом первое положение и второе положение находятся, по существу, напротив друг друга. В других вариантах осуществления настоящего изобретения исполнительные элементы 30 также могут быть расположены во множестве рядов исполнительных элементов 30, которые могут быть расположены так, что будут образовывать, например, двумерный массив. В еще одном варианте осуществления исполнительные элементы 30 могут быть расположены в произвольном порядке на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33.
Чтобы обеспечить транспортировку текучей среды в некотором направлении, например, слева направо на фиг.6, движение полимерных исполнительных элементов должно быть асимметричным. То есть природа такта «маха» (как пояснялось на фиг.2) должна отличаться от природы такта «возврата». Этого можно достичь посредством быстрого такта маха и гораздо более медленного такта возврата.
Для насосного устройства движение полимерных исполнительных механизмов обеспечивается метахронным исполнительным средством. Этого можно достичь, предусмотрев средства адресации исполнительных элементов 30 либо по отдельности, либо ряд за рядом. В случае, например, электростатического принципа действия исполнительных элементов, этого можно достичь с помощью структуры электродов в виде рисунка, являющейся частью стенки 36 микроканала 33. Структура электродов в виде рисунка может содержать структурированную пленку, и эта пленка может быть пленкой металла или другой подходящей электропроводной пленкой. Структурирование пленки можно осуществить, например, с помощью литографии. Адресацию рисунчатых структур можно осуществлять по отдельности. То же самое применимо и к структурам, приводимым в движение магнитным воздействием. Электропроводные пленки в виде рисунка, которые являются частью структуры стенок канала, могут сделать возможным создание локальных магнитных полей, вследствие чего станет возможной адресация исполнительных элементов по отдельности или рядами. Тот же подход можно использовать для исполнительных элементов 30, которые реагируют на тепло. В таком случае, электропроводные рисунки функционируют как локальные нагревательные элементы за счет резистивного нагрева. Что касается исполнительных элементов 30, реагирующих на свет, то пиксельный источник света может быть встроен в стенку 36 канала снизу от исполнительных элементов 30 (что очень похоже на дисплей), причем возможно включение и выключение пикселей этого источника по отдельности.
В вышеописанных случаях, осуществляемое по отдельности или ряд за рядом стимулирование исполнительных элементов оказывается возможным потому, что стенка 36 микроканала 33 содержит структурированный рисунок, посредством которого и активируется стимулирующее воздействие. За счет надлежащей адресации во времени становится возможным координированное стимулирование во времени, например волнообразное. Объем притязаний настоящего изобретения (см. ниже) также включает в себя некоординированные или произвольно расположенные исполнительные средства, симплектические метахронные исполнительные средства и антиплектические метахронные исполнительные средства.
В примере на фиг.6 все полимерные исполнительные элементы 30, включая также те из них, которые находятся в разных рядах, движутся одновременно. Функционирование полимерных исполнительных элементов 30 можно улучшить путем адресации исполнительных элементов 30 по отдельности или адресации рядов исполнительных элементов 30 таким образом, что они станут двигаться не в фазе. Например, в электрически стимулируемых исполнительных элементах 30 это можно осуществить путем использования электродов в виде рисунков, которые могут быть встроены в стенки 36 микроканала 33 (не показано). Таким образом, движение исполнительных элементов 30 проявляется в виде прохождения волны по внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33, что аналогично движению волны, проиллюстрированному на фиг.3. Средства обеспечения движения могут генерировать движение волны, которая может проходить в том же направлении, что и рабочее маховое движение («симплектический метахронизм») или в противоположном направлении («антиплектический метахронизм»).
Чтобы получить, например, локальное смешивание в микроканале 33 микрофлюидальной системы, движение исполнительных элементов 30 можно принудительно сделать некоррелированным, т.е. таким, что некоторые исполнительные элементы 30 смогут двигаться в одном направлении, тогда как другие исполнительные элементы 30 смогут двигаться в противоположном направлении некоррелируемым образом, вследствие чего произойдет локальное хаотическое смешивание. Противоположные движения исполнительных элементов 30, например, в противоположных положениях на стенках 36 микроканала 33, могут создавать вихри.
Другой вариант микрофлюидального канала 33, снабженного исполнительными элементами в соответствии с настоящим изобретением, схематически изображен на фиг.7. Внутренняя сторона 35 стенок 36 микроканалов 33 в этом варианте осуществления может быть покрыта полимерными исполнительными элементами 30, которые могут изменять свою форму, переходя от завитой формы к прямой форме. Это изменение формы можно получить разными путями. Например, изменение формы исполнительного элемента 30 можно получить, управляя микроструктурой исполнительного элемента 30, например, путем внесения градиента эффективной жесткости материала по толщине исполнительного элемента 30, при этом верхний (или нижний) из исполнительных элементов оказывается жестче, чем нижний (или верхний). Это будет вызывать «асимметричный изгиб», т.е. исполнительный элемент 30 будет гнуться в одном направлении легче, чем в другом. Изменение формы исполнительного элемента 30 также может быть достигнуто путем управления возбуждением стимулирующего воздействия, такого, как зависимое от времени и/или пространства магнитное поле в случае магнитного принципа действия исполнительных элементов (фиг.13). Для ясности чертежей показана только часть полимерной МЭМС 31 исполнительных элементов 30. В этом варианте осуществления может быть получено ассиметричное движение исполнительных элементов 30, которое может быть дополнительно улучшено путем быстрого движения в одном направлении и медленного в другом, например, это может быть быстрое движение с переходом от завитой формы к прямой, или наоборот. Полимерные исполнительные элементы 30, выполненные с возможностью изменения формы, могут содержать полимерную МЭМС 31, например, стержнеобразной формы или балкообразной формы. В соответствии с вариантами осуществления изобретения, исполнительные элементы 30 могут быть расположены в одном или нескольких рядах, например, в первом ряду на внутренней стороне 35 стенки 36 и во втором ряду на внутренней стороне 35 стенки 36, при этом первый и второй ряды располагаются, по существу, в противоположных положениях на внутренней стороне 35 стенки 36. В других вариантах осуществления изобретения исполнительные элементы 30 могут быть расположены во множестве рядов исполнительных элементов 30, которые могут быть расположены так, что будут образовывать, например, двумерный массив. В еще одном варианте осуществления исполнительные элементы 30 могут быть расположены в произвольном порядке на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33. Либо исполнительные элементы 30 могут быть расположены в произвольном порядке на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33. За счет адресации исполнительных элементов 30 по отдельности или адресации ряда исполнительных элементов 30 можно генерировать волнообразное движение, движение, коррелированное иным образом, или некоррелированное движение, что может оказаться выгодным при транспортировке или смешивании текучих сред или создании вихрей, причем все это будет происходить внутри микроканала 33.
Дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения изображен на фиг.8. Внутренняя сторона 35 стенки 36 микроканала 33 в этом варианте осуществления может быть покрыта исполнительными элементами 30, которые предпринимают асимметричное движение, аналогичное движению естественно существующих ресничек, которое было проиллюстрировано на фиг.3. Этого можно достичь, внося изменение молекулярного порядка в исполнительные элементы 30 от одной стороны до другой. Иными словами, получается градиент в структуре материала по толщине t исполнительных элементов 30. Этот градиент может быть достигнут различными путями. В случае жидкокристаллических полимерных сеток можно изменять ориентацию молекул жидких кристаллов сверху донизу слоев путем управляемой обработки, например, с помощью процесса, который используют, помимо прочих целей, для обработки жидкокристаллических (ЖК) дисплеев. Еще один возможный путь достижения такого градиента заключается в наращивании или осаждении слоя, из которого будет выполнен исполнительный элемент, состоящего из разных слоев разных материалов с различной жесткостью.
Асимметричное движение также можно дополнительно улучшить путем быстрого движения в одном направлении и медленного - в другом. Исполнительные элементы 30 могут содержать полимерную МЭМС 31 удлиненной формы, такой как стержнеобразная форма или балкообразная форма. В вариантах осуществления изобретения исполнительные элементы 30 могут быть расположены на внутренней стороне 35 стенки 36 в одном или нескольких рядах, к примеру в первом и втором рядах, например, по одному ряду исполнительных элементов 30 в каждом из двух противоположных положений на внутренней стороне 35 стенки 36. В других вариантах осуществления настоящего изобретения исполнительные элементы 30 могут быть расположены во множестве рядов исполнительных элементов 30, которые могут быть расположены так, что будут образовывать, например, двумерный массив. В еще одном варианте осуществления исполнительные элементы 30 могут быть расположены в произвольном порядке на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33. Исполнительные элементы 30 могут быть также расположены в произвольном порядке на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33. За счет адресации исполнительных элементов 30 по отдельности или адресации ряда исполнительных элементов 30 по отдельности можно генерировать волнообразное движение, движение, коррелированное иным образом, или некоррелированное движение, что может оказаться выгодным при транспортировке или смешивании текучих сред или создании вихрей.
На фиг.6-8 показаны три примера возможных конструкций микрофлюидальных систем в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, иллюстрирующие варианты осуществления с использованием полимерных исполнительных элементов 30, встроенных на внутренних сторонах 35 стенок 36 микроканалов 33 для манипуляций с текучей средой в микроканалах 33. Вместе с тем, специалисту в данной области техники должно быть ясно, что возможны и другие конструкции и что описанные конкретные варианты осуществления не ограничивают изобретение.
Применяя модель Блейка (которую Дж. Блейк описал в вышеупомянутой статье "A model for the micro-structure in ciliated organisms", J.Flud. Mech., 55, стр.1-23, 1972) к полимерным исполнительным элементам 30, описанным выше, можно оценить, что за счет покрытия стенки 36 микроканала 33 исполнительными элементами 30 можно создать поток текучей среды со скоростью от нуля до нескольких миллиметров в секунду в зависимости от типа исполнительных элементов 30. Если взять, например, воду в качестве текучей среды модели, то можно также вычислить, что для достижения этой скорости к исполнительным элементам 30 следует приложить нагрузку 1 нН и изгибающий момент 10-13 нН. Это очень малые величины, которые легко могут быть получены с помощью малых элементов, используемых в микрофлюидальных системах. Вышеописанный анализ доказывает, что с помощью микрофлюидальных систем в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения можно получить значительные скорости. Следовательно, если полимерные МЭМС 31 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения выполнены с возможностью осуществления движения, напоминающего движение ресничек, стенки 36 микроканалов 33, содержащие такие полимерные МЭМС 31, будут весьма эффективными при транспортировке и/или смешивании текучих сред и при создании вихрей.
Преимущество подхода в соответствии с настоящим изобретением (в конкретном случае полимерных исполнительных элементов 30) заключается в том, что средство, которое предпринимает манипуляцию с текучей средой, т.е., по меньшей мере, один полимерный элемент 30, полностью встроен в микрофлюидальную канальную систему и обеспечивает получение больших изменений формы, которые необходимы для микрофлюидальных приложений, так что внешний насос или микронасос не требуется. Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает компактные микрофлюидальные системы. Другое, возможно - еще более важное, преимущество заключается в возможности локального управления текучей средой в микроканалах 33 путем адресации всех исполнительных элементов 33 одновременно или путем адресации лишь, по меньшей мере, одного предварительно определенного исполнительного элемента 30 в некоторый момент времени. Поэтому текучую среду можно транспортировать, рециркулировать, смешивать или правильно разделять в требуемом, предварительно определенном положении. Дополнительное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что использование полимеров исполнительных элементов 18 может обеспечить дешевые технологии обработки, например способы печати или тиснения либо одностадийная литография.
Кроме того, микрофлюидальная система в соответствии с настоящим изобретением устойчива к внешним воздействиям, и это означает, что если единственный исполнительный элемент не может или несколько исполнительных элементов 30 не могут работать должным образом, то это не окажет значительного негативного влияния на работоспособность всей микрофлюидальной системы в целом.
Микрофлюидальные системы в соответствии с изобретением можно использовать, например, в биотехнологических приложениях, таких, как биодатчики, быстрая селекция и сортировка ДНК по размеру, манипуляции с клетками и клеточный сортинг, в фармацевтических приложениях, в частности, при высокопроизводительном комбинаторном тестировании, где существенным является локальное смешивание, и в микроканальных системах охлаждения в приложениях, связанных с микроэлектроникой.
Например, микрофлюидальную систему согласно настоящему изобретению можно использовать в биодатчиках, например, для детектирования, по меньшей мере, одной целевой молекулы, например, белков, антител, нуклеиновых кислот (например, ДНК, РНК), пептидов, олиго- или полисахаридов или сахаров, например, в биологических текучих средах, таких, как слюна, мокрота, плазма крови, интерстициальная жидкость или моча. Следовательно, в устройство подается малый объем (например, капля) текучей среды, и за счет манипуляций с текучей средой внутри микроканальной системы эта текучая среда получает возможность занять чувствительное положение, где и происходит фактическое детектирование. Путем использования различных датчиков в микрофлюидальной системе в соответствии с настоящим изобретением, можно детектировать целевые молекулы различных типов за один прогон при анализе.
Ниже приведено описание конкретного, не носящего ограничительный характер варианта осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления полимерные исполнительные элементы 30 могут поворачиваться или изменять форму за счет приложения магнитного поля. Генерирование сложного, зависимого от времени магнитного поля обеспечит сложные подвижные формы исполнительных механизмов, вследствие чего можно оптимизировать эффективность осуществляемых ими манипуляций с текучей средой.
В этом варианте осуществления изменение ориентации и/или формы исполнительных элементов 30 может быть достигнуто путем приложения магнитного поля к исполнительным элементам 30. Это выгодно, в частности, для биомедицинских приложений со сложными и изменяющимися текучими средами.
Чтобы иметь возможность воздействовать на исполнительные элементы 30 путем приложения магнитного поля, следует наделить исполнительные элементы 30 магнитными свойствами. Наделить полимерный исполнительный элемент 30 магнитными свойствами можно путем внедрения непрерывного магнитного слоя 37 в полимерный исполнительный элемент 30, как показано в разных вариантах осуществления на фиг.9. Исполнительные элементы 30 с магнитными свойствами будут именоваться магнитными исполнительными элементами 30. Непрерывный магнитный слой 37 может располагаться на верхней поверхности (верхний чертеж на фиг.9) или нижней поверхности (чертеж в середине фиг.9) исполнительного элемента 30, или может располагаться в центре (нижний чертеж на фиг.9) исполнительного элемента 30. Положение непрерывного магнитного слоя 37 наряду с его термомеханическими свойствами определяет «естественную» или не подвергающуюся воздействию форму магнитного исполнительного элемента 30, т.е. плоского, завивающегося кверху или завивающегося книзу. Непрерывный магнитный слой 37 может быть выполнен, например, из электроосажденного пермаллоя (например, Ni-Fe), и может быть осажден, например, в виде однородного слоя. Непрерывный магнитный слой 37 может иметь толщину в диапазоне между 0,1 и 10 мкм. Направление легкого намагничивания может определяться процессом осаждения и может быть задано, например, как направление «в плоскости». Вместо однородного слоя, можно также выполнить непрерывный магнитный слой 37 в виде рисунка (не показан), чтобы увеличить податливость и простоту деформирования магнитных исполнительных элементов 30.
Другой путь получения магнитного исполнительного элемента 30 заключается во внедрении магнитных частиц 38 в полимерный исполнительный элемент 30. Полимер в этом случае может функционировать как «матрица», в которой диспергированы магнитные частицы 38 (фиг.10) и которая будет именоваться далее полимерной матрицей 39. Магнитные частицы 38 можно добавлять в полимер в растворе или можно добавлять в мономеры, которые впоследствии могут быть полимеризованы. На последующем этапе можно затем нанести полимер на внутреннюю сторону 35 стенки 36 микроканала 33, например, посредством нанесения
центрифугированием. Магнитные частицы 38 могут быть, например, сферическими, как показано на двух верхних чертежах на фиг.10, или могут быть удлиненными, например стержнеобразными, как показано на нижнем чертеже на фиг.10. Стержнеобразные магнитные частицы 39 могут обладать тем преимуществом, что они могут автоматически ориентироваться сдвиговым потоком во время процесса осаждения. Магнитные частицы 38 могут располагаться случайным образом в полимерной матрице 39, как показано на верхнем и нижнем чертежах на фиг.10, или они могут быть расположены или выровнены в полимерной матрице 38 в виде регулярного рисунка, например, в рядах (в середине на фиг.10).
Магнитные частицы 38 могут быть, например, ферромагнитными или ферримагнитными частицами либо (супер)парамагнитными частицами, содержащими, например, такие элементы, как кобальт, никель, железо, ферриты. В вариантах осуществления магнитные частицы 38 могут быть суперпарамагнитными частицами, т.е. они не имеют остаточного магнитного поля, когда прикладываемое магнитное поле отключено, в частности, когда упругое восстановление полимера оказывается медленным по сравнению с модуляцией магнитного поля. При длительных отключениях магнитного поля можно сэкономить на энергопотреблении.
Во время осаждения можно использовать магнитное поле для перемещения и выравнивания магнитных частиц 38, вследствие чего результирующая намагниченность оказывается направленной в направлении длины магнитного исполнительного элемента 30.
Приложение магнитного поля к магнитным исполнительным элементам 30 может впоследствии привести к появлению сил, обуславливающих поступательное, а также вращательное движение к исполнительным элементам 30. Сила, обуславливающая
поступательное движение, определяется уравнением:
где 
- магнитный момент магнитного исполнительного элемента 30, 
- магнитная индукция.
Сила, обуславливающая вращательное движение, т.е. крутящий момент на магнитном исполнительном элементе 30, будет заставлять этот элемент двигаться, т.е. вращаться, и/или изменять форму. Это показано на фиг.11 для статического однородного магнитного поля, прикладываемого к магнитным исполнительным элементам 30 средством генерирования внешнего магнитного поля, например, таким как электромагнит или постоянный магнит, расположенный рядом с микрофлюидальной системой, или прикладываемого средством генерирования внешнего магнитного поля, например электромагнит или постоянный магнит, рядом с которым расположена микрофлюидальная система, или средством генерирования внутреннего магнитного поля, например электропроводные шины, встроенные в микрофлюидальную систему.
Если предположить, например, что магнитное поле, прикладываемое средством генерирования внешнего магнитного поля к магнитному исполнительному элементу 30, имеет магнитный момент 
и напряженность 
магнитного поля, то крутящий момент 
, действующий на исполнительный элемент 30, можно описать следующим образом:
где µ - магнитная проницаемость материала, 
- магнитная индукция, 
- намагниченность (т.е. магнитный момент, приходящийся на единицу объема), а V - объем исполнительного элемента 30, при этом L - длина, w - ширина, а t - высота исполнительного элемента 30. Очевидно, что прикладываемый крутящий момент зависит от угла между магнитным моментом и магнитным полем, он равен нулю, когда упомянутые момент и поле ориентированы одинаково. В ситуации, эскиз которой показан на фиг.11, приближение к полностью поднятому состоянию будет происходить все медленнее и медленнее по мере уменьшения угла между магнитным моментом и магнитным полем . Эту проблему можно решить путем вращения магнитного поля во время движения исполнительного элемента 30.
Вращающееся магнитное поле, прикладываемое, например, вращающимся постоянным магнитом 40, может генерировать вращательное движение отдельных исполнительных элементов 30 и согласованное поперечное движение массива (или волны) магнитных исполнительных элементов 30 (фиг.12), которая иллюстрирует такт маха. В случае магнитных исполнительных элементов 30 с постоянным магнитным моментом, ход возврата будет происходить под влиянием сил, которые действуют на исполнительные элементы и ориентированы по направлению к поверхности, то есть исполнительные элементы будут скользить по поверхности, а не двигаться через массу текучей среды в микроканале 33.
Чтобы обеспечить транспортировку текучей среды через микроканал 33 за счет движения исполнительных элементов 30, расположенных на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33, требуется приложить некоторую силу и/или магнитный момент к окружающей текучей среде в микроканале 33. В вышеизложенном описании уже приводилась оценка, в соответствии с которой типичные значения силы составляют около 1 нН, что соответствует изгибающему моменту 10-13 Нм. Приводимое ниже приближенное вычисление показывает, что этих значений действительно можно достичь с помощью магнитного поля для приложения внешних стимулирующих воздействий к исполнительным элементам 30, как предлагается в этом конкретном варианте осуществления.
Например, если предположить, что магнитный исполнительный инструмент 30, содержащий магнитные частицы 38 (фиг.10), имеет следующие реалистичные параметры, изложенные в таблице, то результирующая намагниченность магнитного исполнительного элемента 30 может иметь значение М=5×104 А/м. Воспользовавшись уравнением (2) можно вычислить максимальный крутящий момент, прикладываемый к полимерному исполнительному элементу 30. В предположении, что направление намагничивания и направление магнитного поля перпендикулярны друг другу, крутящий момент τ может иметь значение 15×10-13 Нм. Тогда максимальная сила F=τ/L=15 нН. Из сравнения с требуемыми силой и моментом, приведенными выше становится очевидным тот факт, что можно легко получить требуемые значения с помощью магнитного воздействия, как описано в данном варианте осуществления.
| Параметр | Значение |
| Магнитная индукция В | 10 мТ |
| Намагниченность магнитного материала в состоянии насыщения, Mb | 5×105 А/м |
| Длина исполнительного элемента, L | 100 мкм |
| Ширина исполнительного элемента, w | 1 мкм |
| Толщина исполнительного элемента, t | 3 мкм |
| Объемная концентрация магнитного материала | 10% |
Вместо использования такого средства генерирования внешнего магнитного поля, как постоянный магнит или электромагнит, который может находиться снаружи микрофлюидальной системы, как описано выше, другой возможностью является использование электропроводных шин 41, которые могут быть встроены в микрофлюидальную систему. Это проиллюстрировано на фиг.13. Электропроводные шины 41 могут быть, например, медными шинами с площадью поперечного сечения, например, 100 мкм2, при этом можно легко индуцировать магнитные потоки плотностью 10 мТ. Магнитное поле, генерируемое током, проходящим по электропроводной шине 41, уменьшается в соответствии с функцией 1/r, где r - расстояние от электропроводной шины до некоторого места на исполнительном элементе 30. Например, магнитное поле в месте А (фиг.13) будет больше, чем в месте В исполнительного элемента 30. Аналогичным образом, магнитное поле в месте В будет больше, чем магнитное поле в месте С исполнительного элемента 30. Следовательно, 
. Поэтому полимерный исполнительный элемент 30 подвергнется воздействию градиента магнитного поля вдоль своей длины L. Это вызовет движение «завивания» магнитного исполнительного элемента 30 в верхней точке его вращательного движения. Таким образом, суть дела можно представить себе следующим образом: путем комбинирования равномерного магнитного «дальнего поля», т.е. магнитного поля, генерируемого извне, которое постоянно по всему исполнительному элементу 30, причем это дальнее поле является либо вращающимся, либо не вращающимся, с электропроводными шинами 41, можно создавать сложные, зависимые от времени магнитные поля, которые гарантируют получение сложных подвижных форм исполнительного элемента 30. Это может оказаться очень удобным, в частности, для настройки подвижной формы исполнительных элементов 30, чтобы достичь оптимизированной действенности и эффективности при управлении текучей средой. В качестве простого примера можно упомянуть, что таким образом можно было бы гарантировать настраиваемое асимметричное движение, т.е. «такт маха» исполнительного элемента 30, отличающийся от «такта возврата» исполнительного элемента 30.
Движение исполнительных элементов 30 можно измерять, например, с помощью одного или нескольких датчиков, находящихся в микрофлюидальной системе. Это может обеспечить определение свойств потока, таких как скорость потока, и/или определение вязкости текучей среды в микроканале 33. Кроме того, можно измерять другие параметры текучей среды за счет использования разных частот воздействия. Например, таким образом можно было бы измерить содержание клеток в текучей среде, например показатель гематокрита или коагуляционные свойства текучей среды.
Преимущество вышеописанного варианта осуществления заключается в том, что использование магнитного воздействия работоспособно с очень сложными биологическими текучими средами, такими как слюна, мокрота или цельная кровь. Кроме того, магнитный принцип действия исполнительных элементов не требует наличия контактов. Иными словами, магнитный принцип действия исполнительных элементов можно реализовать бесконтактно, т.е., когда используются средства генерирования внешнего магнитного поля, сами исполнительные элементы 10 будут находиться внутри микрофлюидальной кассеты, а средства генерирования внешнего магнитного поля будут находиться снаружи микрофлюидальной кассеты.
Следует понять, что хотя предпочтительные варианты осуществления, конкретные конструкции и конфигурации описаны здесь для устройств, соответствующих настоящему изобретению, в рамках объема и существа притязаний этого изобретения в них можно осуществить различные изменения и модификации формы и содержания. Настоящее изобретение также охватывает и другие пути создания движения, помимо «цилиарного движения», описанного выше. Например, изменение формы и ориентации исполнительных элементов 30 может привести к распределенному приводу жидкости, присутствующей в микроканалах 33 микрофлюидальной системы. Тогда эту систему можно было бы модифицировать с целью использования в качестве насоса. Одним способом достижения этого может быть использование электроактивных полимерных гелей, например геля на основе полиакриловой кислоты, или материалов типа композитов «иономерный полимер-металл» (КИПМ), или, например перфторкарбоната или перфторсульфоната, для формирования исполнительных элементов 30, которые крепятся к внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33. Последовательная адресация исполнительных элементов 30 с помощью средства приложения внешних стимулирующих воздействий могла бы вызвать небольшую волну («зыбь») для приведения жидкости в движение в одном направлении в микроканале 33. Средства приложения внешних стимулирующих воздействий могут быть представлены, например, средством генерирования электрического поля. В этом случае и в случае исполнительных элементов 30 из электроактивного полимерного геля, в гелевые исполнительные элементы 30 можно встроить, например, один или несколько электродов, например электропроводных полипиррольных (polypirrole) электродов. Тогда последовательная адресация одного или нескольких электродов в исполнительных элементах 30 из электроактивного полимерного геля заставляет исполнительные элементы 30 последовательно изменять свою форму и/или ориентацию, тем самым вызывая небольшую волну.
1. Микрофлюидальная система, содержащая, по меньшей мере, один микроканал (33), имеющий стенку (36) с внутренней стороной (35), причем микрофлюидальная система дополнительно содержит множество цилиарных исполнительных элементов (30), прикрепленных к внутренней стороне (35) стенки (36), при этом каждый цилиарный исполнительный элемент (30) имеет форму и ориентацию, и средство для приложения стимулирующих воздействий к множеству цилиарных исполнительных элементов (30), чтобы вызывать изменение их формы и/или ориентации.
2. Микрофлюидальная система по п.1, отличающаяся тем, что множество цилиарных исполнительных элементов являются полимерными исполнительными элементами.
3. Микрофлюидальная система по п.2, отличающаяся тем, что полимерные исполнительные элементы (30) содержат полимерные микроэлектромеханические системы (МЭМС).
4. Микрофлюидальная система по п.1, отличающаяся тем, что средство для приложения стимулирующего воздействия к множеству исполнительных элементов (30) выбрано из группы, состоящей из средства генерирования электрического поля, средства генерирования электромагнитного поля, средства генерирования магнитного поля или средства нагрева.
5. Микрофлюидальная система по п.4, отличающаяся тем, что средство приложения стимулирующего воздействия к цилиарным исполнительным элементам (30) является средством генерирования магнитного поля.
6. Микрофлюидальная система по п.5, отличающаяся тем, что цилиарные исполнительные элементы дополнительно содержат одну составляющую, выбранную из группы, состоящей из однородного непрерывного магнитного слоя (37), непрерывного магнитного слоя в виде рисунка или магнитных частиц (38).
7. Микрофлюидальная система по п.1, отличающаяся тем, что множество цилиарных исполнительных элементов (30) расположено в первом и втором рядах, причем первый ряд исполнительных элементов (30) находится в первом положении на внутренней стороне (35) стенки (36), а второй ряд исполнительных элементов (30) находится во втором положении на внутренней стороне (35) стенки (36), при этом первое положение и второе положение находятся, по существу, напротив друг друга.
8. Микрофлюидальная система по п.1, отличающаяся тем, что множество цилиарных исполнительных элементов (30) расположено во множестве рядов исполнительных элементов (30), которые образуют двумерный массив.
9. Микрофлюидальная система по п.1, отличающаяся тем, что множество цилиарных исполнительных элементов (30) расположено в произвольном порядке на внутренней стороне (35) стенки (36).
10. Способ изготовления микрофлюидальной системы, содержащей, по меньшей мере, один микроканал (33), заключающийся в том, что снабжают внутреннюю сторону (35) стенки (36), по меньшей мере, одного микроканала (33) множеством цилиарных исполнительных элементов (30) и используют средство для приложения стимулирующего воздействия к множеству цилиарных исполнительных элементов (30).
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что снабжение множеством цилиарных исполнительных элементов (30) осуществляют посредством осаждения удаляемого слоя, имеющего длину L, на внутренней стороне (35) стенки (36), осаждения материала исполнительных элементов поверх удаляемого слоя, высвобождения материала исполнительных элементов с внутренней стороны (35) стенки (36) путем полного удаления удаляемого слоя.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что удаление удаляемого слоя осуществляют посредством травления.
13. Способ по п.10, отличающийся тем, что дополнительно снабжают цилиарные исполнительные элементы (30) составляющей, выбранной из группы, состоящей из однородного непрерывного магнитного слоя (37), непрерывного магнитного слоя в виде рисунка или магнитных частиц (38).
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что для снабжения средством для приложения стимулирующего воздействия к цилиарным исполнительным элементам (30) используют средство генерирования магнитного поля.
15. Способ управления потоком текучей среды через микроканал (33) микрофлюидальной системы, причем микроканал (33) имеет стенку (36) с внутренней стороной (35), заключающийся в том, что снабжают внутреннюю сторону (35) стенки (36) множеством цилиарных исполнительных элементов (30), причем каждый исполнительный элемент (30) имеет форму и ориентацию, прикладывают стимулирующее воздействие к исполнительным элементам (30), вызывая изменение их формы и/или ориентации.
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что приложение стимулирующего воздействия к исполнительным элементам (30) осуществляют путем приложения магнитного поля.
17. Применение микрофлюидальной системы по п.1 в качестве системы для транспортировки либо локального смешивания или направления текучих сред через микроканалы микрофлюидальной системы в биотехнологических, фармацевтических, электрических или электронных приложениях.
18. Микрофлюидальная система, содержащая, по меньшей мере, один микроканал (33), имеющий стенку (36) с внутренней стороной (35), причем микрофлюидальная система дополнительно содержит множество электроактивных полимерных исполнительных элементов (30), прикрепленных к внутренней стороне (35) стенки (36), и средство для приложения стимулирующих воздействий к множеству электроактивных полимерных исполнительных элементов (30), чтобы привести жидкость в движение в направлении вдоль микроканала (33).
19. Микрофлюидальная система по п.18, отличающаяся тем, что множество электроактивных полимерных исполнительных элементов (30) содержит полимерный гель или композит «иономерный полимер-металл» (КИПМ).
