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基于comsol的流固耦合微泵输运细胞仿真分析

微泵作为微流体系统的“心脏”，是微流体输送的动力源，也是微流体系统发展水平的重要标志。作为一种重要的微型执行部件，微泵还可广泛应用于药物输送、血液运输、DNA合成、电子冷却系统、微全分析系统、微型燃料电池、微型卫星推进系统等领域，具有巨大的市场应用前景。

微泵根据其有无可动阀片分为有阀微泵和无阀微泵。典型的无阀微泵有收缩－扩张型微泵，以及基于流体性质的非机械式微泵。有阀微泵的优点是原理简单，制造工艺成熟，易于控制，反向截止性能较好。

但缺点也很明显：由于阀片的存在，微泵加工工艺要求高，结构复杂，不利于集成以及微型化；阀片易疲劳，并且回流现象不可避免，微泵效率低；在药物输送、血液运输等领域应用中，阀门的存在会造成堵塞，且容易损伤细胞。

相比于有阀微泵，无阀微泵有以下优点：结构简单，易于加工和制备，可以制成平面结构，或者直接和微流控芯片一体化加工，便于微泵的微型化、集成化；无阀微泵利用微流体的特性，可以连续输送流体，能精确检测和控制流量，在生物医学方面应用广泛。

因此，无阀微泵成为21世纪微流体系统微型化、集成化、控制精准化程度进一步提高的突破口，具有广阔的应用前景。

1)压电驱动微泵

压电驱动微泵是基于压电晶体的压电特性驱动薄膜振动从而实现泵送流体的。

2) 静电驱动微泵

静电驱动是基于库伦力的原理，在其中一个固定电极上加单一极性电压，在另一个与泵膜相连的可动电极上加交变电压，交替产生双向形变，从而实现泵送功能。

3) 热气驱动微泵

热气驱动基本原理是利用加热产生的气体膨胀力为驱动力。热气驱动微泵的驱动器一般由加热器、泵膜和密闭压力室组成。通过加热冷却压力室的气体产生膨胀和收缩动作，推动泵膜运动。

4) 电磁驱动微泵

电磁驱动微泵的原理是将永磁铁贴在泵膜上，利用线圈产生的交变磁场，使得永磁体带动泵膜往复运动，达到泵送流体的目的。电磁驱动的优点是输入电压低、泵膜变形大、频率调节方便、响应快，并且可以远程控制。缺点是能耗高、电磁材料微加工困难、由于线圈存在难以微型化。

5) 形状记忆合金驱动微泵

形状记忆合金驱动(SMA)是利用合金随温度变化发生相变的特性，来提供驱动力。它的形状记忆功能通过马氏体相变的可逆性来体现。常见的记忆合金有钛镍合金、金铜合金、铟钛合金、铜锌合金等，其中钛镍合金最常见。

这种微泵的优点是驱动力大，泵膜变形大，缺点是泵膜的变形较难控制、响应慢、驱动频率低(一般在100 Hz以下)、效率低。Xu等研制了形状记忆合金薄膜驱动微泵。该微泵以硅为材料，采用硅微加工工艺、金－硅共晶键合等技术制成。

通过对NiTi条施加一定频率的交变电流，泵膜在NiTi条的相变应力下产生往复振动，而实现流体泵送。当驱动频率为50～60 Hz时，可以获得340 μL/min的最大流量。

6) 电致动聚合物驱动微泵

在外部驱动电压的作用下，能产生一定形状和尺寸变形的聚合物被称为电致动聚合物(EAP)。EAP是一种新型智能材料，目前应用于微泵的电致动聚合物主要有介电弹性体(DE)、离子聚合物金属复合材料(IPMC)和导电型聚合物聚吡咯(Polypyrrole)。电致动聚合物在电场的作用下可产生大幅变形，远大于现有的压电材料，可以大幅提高泵送能力。

• 非机械式微泵1) 电液动力微泵

电液动力(EHD)微泵基本原理是利用流体中带电离子在电场作用下的迁移，从而带动整个流体迁移流动的目的。这种微泵的优点是无阀无活动部件、结构简单、对微加工工艺要求不高、成本低；但这种微泵对流体的介电性质有特殊要求，只能用于绝缘液体或导电率极低的液体，如乙醇、丙酮、异丙醇等，限制了其应用。

2) 电渗驱动微泵

电渗驱动(EO)微泵是指外加电场使微通道壁面带有固定电荷，利用其产生的电渗现象驱动液体。按驱动方式分主要有直流电渗泵和交流电渗泵两种。直流电渗泵需要超高电压，一般要几千伏; 而交流电渗泵驱动电压低，可以有效抑制电解反应。

这种微泵的优点是结构简单、流动稳定、易于控制、背压高; 缺点是驱动电压高、流量小、外界影响因素多，而且仅适用于电解质溶液。Chen等设计了一种平面电渗驱动微泵，该泵采用显微光刻和湿法腐蚀工艺在玻璃基板上加工而成，使用电导率为4×10-4 S/m的去离子水为介质，当施加电压为1 kV 时，微泵最大流量为15 μL/min，最大背压为33 kPa。

3) 磁流体动力微泵

磁流体动力微泵(MHD)是利用磁场和电场施加于导电流体的洛伦磁力作为微泵的驱动力，一般驱动电导率在1 S/cm数量级的导电液体。驱动电压可以采用直流电和交流电两种方式。MHD微泵结构简单，成本低，驱动电压低，流动稳定且可双向控制；但只适用于导电率较高的流体。

4) 电浸润式微泵

电浸润式微泵利用表面张力来驱动流体运动。微尺度下，表面张力是一种主要作用力，而金属液体的表面张力会因电压改变而变化，在充满电解液的管道中施加电压金属液滴就可以沿着管道运动，推动流体运动。

这类微泵具有功耗低、响应快、表面电化学不活泼等优点。Yun等研制了一种连续电浸润式微泵，微泵由三层粘结在一起的晶片组成，用SU－8胶形成封闭空间将电解质溶液和水银滴封闭在一起，利用水银滴往复运动产生压力差驱动硅胶膜运动。当驱动电压为2.3V，驱动频率为25Hz时，可以获得最大流量为70 μL/min，最大压力为800 Pa，而消耗功率仅为170 μW。

Comsol官网有提供一种类型此模型模拟无阀微泵的机理，该微泵设计为在低雷诺数下有效，克服了流体动力学可逆性。无阀泵堵塞的风险最小，并且对生物材料很温和，因此在微流体系统中通常是首选部件。

微泵内部有类似生物纤毛微结构，模型使用流-固耦合接口求解流体的流动及结构的相应变形。

以下是该无阀微泵不同纤毛长度下，运送细胞的分析结果展示，分析了纤毛对运送对象的影响。

2024-09-23

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