用于微流控细胞分选的压电驱动器的数值与实验表征

提升实验效率，加速科学发现

压电致动器为精确和低成本的微尺度流体控制提供了巨大的机会。集成压电致动器的微流体系统应用于液滴发生器，微泵和微分选器。为了加速器件设计和优化，建模和仿真方法是一种有吸引力的工具，但由于问题的多物理场性质，存在挑战。简单，潜在的实时方法，实验表征流体响应的压电驱动也是非常可取的。在这项工作中，我们提出了一种压电微流体细胞分选器的数值和实验表征策略。具体来说，我们提出了一个系统的三维耦合多物理场有限元模型和一个简单的基于图像的流量监测方法。正弦和脉冲驱动作为案例研究来测试所提出的方法。结果证明了该方法的有效性以及该系统在细胞分选应用中的适用性。

细胞分选是将目标细胞群从异质混合物中分离出来的过程，是基于细胞的诊断和治疗中的一项关键技术。微流控技术的发展使细胞选择性分离装置的小型化得以实现，具有样品体积小、与下游工艺高度集成和结合的可能性等优点。

微流控细胞分选装置主要分为两大类：高通量分选和精确分选。高通量分选缺乏单细胞分辨率，通常用于富集细胞群(例如，循环肿瘤细胞)，而精确分选可以将细胞一个接一个地引导到目标通道中(即单细胞分选)。用于精确分选的微流体系统通常包括两个组件:一个传感器，用于识别目标细胞和非目标细胞以及一个执行器，用于将目标细胞引导到特定的出口。虽然常见的传感方法是荧光标记细胞的光学检测，但由于其无标记的性质，电检测方法代表了一种有吸引力的替代方法。关于致动方式，常见的有声阻抗法、介电电泳法、光学法、汽泡执行器和压电执行器。

这里，我们提出了一种用于细胞分选的微流体压电驱动器的数值和实验表征的原始方法。具体而言，我们开发了:(i)微流体系统的三维耦合多物理场(电-结构-流体)有限元模型;(ii)一种简单的基于图像的方法来实验量化样品流的偏转。以正弦和脉冲驱动为例来说明所提出的方法。

微流控器件的主通道宽度为150μm，三个采集通道宽度各为50μm。侧区喷嘴宽度为100μm，距离发散连接处约50μm。微通道高度为40μm。圆柱形腔室直径13mm，高度5mm。换能器由直径为15mm，厚度为110 μ m的锆钛酸铅(PZT)元件制成，其金属衬底(黄铜)直径为20mm，厚度为100 μ m。

为了对压电驱动器进行实验表征，用注射泵(Elite 11, Harvard Apparatus)以5μl/min的速度将PBS(磷酸盐缓冲盐水)，13%蔗糖和0.1% Tween 20制成的缓冲液泵入(样品流)。该缓冲液常用于微流控阻抗细胞术。鞘层流动(去离子水)通过压力控制器(OB1, Elveflow)通过入口输送。典型压力值约为300毫巴，产生的通量约为15 μl/min。

微流控器件安装在倒置显微镜(Zeiss Axio Observer, 10倍物镜)的台上，通过连接显微镜的高速摄像机(Photron Mini UX100，帧率4000-16000 fps，基于驱动频率，快门时间25μs)采集分选区域的流体流动。在目前的装置下，样品流与护套流在光学上是可区分的。

压电换能器由波形发生器(Keysight 33600A)驱动。正弦驱动(3、15、25、50、75或100 Hz频率)和脉冲驱动(20、10、5、1或0.5 ms脉冲持续时间)都被使用。施加电位的典型值为10 Vpp或更低。

图1所示。(a)设备照片和(b)流体布局，有入口和出口指示。(c)设备分选区域的显微镜图像。

图2所示。(a)整个微流控装置和(b)仅流体域的几何模型。(c)径向截面AA '的示意图(未按方向缩放)，显示了不同的子域和流固耦合界面。还指出了外加电位和接地。(d)放大显示(黄色)带有相关集总顺应性的流体边界(模拟实验装置中出现的右侧椭圆形侧腔)。(e)计算中使用的典型网格，(f)排序区域的缩放。

图7所示。实验表征，正弦驱动信号。(a)驱动信号(10 Vpp)在(从上到下)3,15,25,50,75,100,500和1000hz的采样流旋转角度。原始数据(蓝色);拟合正弦波(青色)。(b)波德图(振幅图)。在100hz时，也考虑5vpp电压(红色方块)。插图:旋转角度在10 Vpp(蓝色)和5 Vpp(红色)。为了便于幅度比较，已经减去了基线值。

图8所示。实验表征，脉冲驱动信号。(a)样品流旋转角度从上到下，Ton=20、10、5、1、0.5 ms。脉冲幅度为5v(蓝色)或3v(红色)。(b)正极性与反极性脉冲驱动信号对比。

视频S1。正弦驱动情况(3hz, 10vpp)。视频以4000帧/秒的速度录制。为了减小文件的大小，然后以200 fps的速度对其进行抽样。重放帧率设置为20fps(10倍慢速)。显示了三个驱动周期。聚苯乙烯珠(直径5μm)悬浮在样品流中，以显示颗粒在不同出口的偏转。

视频S2。脉冲驱动箱(脉冲持续时间Ton = 10 ms，重复周期T = 66 ms, 5 V)。视频以4000帧/秒的速度录制。为了减小文件的大小，将其以800 fps的速度进行抽样。重放帧率设置为20fps(40倍慢速)。显示了三个脉冲。作为未来的工作，阻抗传感器将集成到设备中，以同步脉冲激活与粒子通过。

参考文献：
Cristian Brandi, Adele De Ninno, Enrico Verona, Luca Businaro, Paolo Bisegna, Federica Caselli,
Numerical and experimental characterization of a piezoelectric actuator for microfluidic cell sorting,
Sensors and Actuators A: Physical, 2024, Volume 367,115074. https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115074.

扫描关注微信公众号，随时了解更新信息！

扫描关注，随时沟通。