在生物醫(yī)學(xué)檢測、藥物篩選和即時診斷等領(lǐng)域，微流控技術(shù)憑借其試劑消耗少、分析速度快、集成度高等優(yōu)勢，正扮演著越來越重要的角色。然而，在這一技術(shù)體系的深處，一個基礎(chǔ)卻至關(guān)重要的環(huán)節(jié)——流體的快速、均勻混合，長期以來面臨著重大的實踐挑戰(zhàn)。如何在微米尺度的層流中實現(xiàn)高效混合？如何將高性能的混合功能便捷、可靠地集成到現(xiàn)有的微流控芯片中？這些難題限制了微流控系統(tǒng)在眾多關(guān)鍵應(yīng)用中的潛能發(fā)揮。

近日，墨爾本大學(xué)David J. Collins團隊開發(fā)出一種基于3D打印技術(shù)的“即插即用"式體積最小化微型混合器。該器件巧妙地采用了分合重組（Split-and-Recombine， SAR）通道拓撲結(jié)構(gòu)，不僅實現(xiàn)了高效的被動式混合，更以其模塊化的“插件"設(shè)計，與PDMS微流控芯片實現(xiàn)無縫接口，從而在不同流速下實現(xiàn)高效混合，并可在多個一次性芯片上重復(fù)使用。該研究成果以“A Plug-and-Play Volume Minimizing Micromixer"為題，發(fā)表在國際期刊《Advanced Science》上。

研究團隊摒棄了在芯片上直接制造混合結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)思路，轉(zhuǎn)而采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch® S230，精度：2μm），制造了一個微型化的SAR混合器單元。該混合器單元擁有直徑為60μm的內(nèi)通道，內(nèi)部總?cè)莘e僅為7.7nL，并設(shè)計有兩個錐形流體入口，以便于連接標準管路。

該微型混合器最大的亮點就是流道設(shè)計，其核心由七個相同的混合單元串聯(lián)而成，每個單元相對于前一個旋轉(zhuǎn)90度。每個單元都將流入的流體一分為二，經(jīng)過空間重構(gòu)后再合并。經(jīng)過n個這樣的單元，流體層數(shù)（Ln）和流體-流體界面數(shù)（In）將增加至約2n，而平均流體層厚度（δn）則相應(yīng)減小。本研究采用的7單元設(shè)計，最終可產(chǎn)生多達129層交替的流體。

混合時間與擴散距離的平方成正比。因此，當流體層厚度因SAR過程而急劇減薄時，分子擴散所需的時間將呈指數(shù)級下降。理論計算表明，與初始的兩層流體相比，生成129層可將擴散混合時間縮短約4000倍。這意味著即使在極低的流速下，也能在極短流道長度內(nèi)實現(xiàn)快速的混合。

在高效混合之外，混合器的設(shè)計更將“體積最小化"做到了，內(nèi)部流道直徑僅為60μm，整個混合核心區(qū)域的內(nèi)部容積被壓縮至7.7nL，極大程度減少了樣品的浪費，并縮短了樣品從混合到進入下游分析區(qū)域的延遲時間。這對于研究蛋白質(zhì)折疊、鈣信號傳導(dǎo)等對時間極為敏感的快反應(yīng)過程至關(guān)重要。

為驗證性能，研究人員進行了計算流體動力學(xué)（CFD）模擬和實驗測試。模擬結(jié)果清晰展示了在不同流速下（對應(yīng)雷諾數(shù)0.4至40），流體流經(jīng)每個SAR單元后層數(shù)翻倍的過程，證實了其寬流速范圍內(nèi)的穩(wěn)定混合能力。

在實驗中，研究者將混合器插入一個帶有蛇形通道的PDMS芯片，并注入兩種不同顏色的流體。結(jié)果顯示，無論流速如何，混合器出口流出的流體均已呈現(xiàn)均勻顏色，表明在進入下游芯片前已混合。作為對比，在相同芯片上使用傳統(tǒng)的T型混合器，即便流體流經(jīng)數(shù)厘米長的蛇形通道后，在較高流速下仍能看到清晰的不混合界面。要達到SAR混合器的混合效果，T型混合器需要極長的流道，這將大幅增加設(shè)備尺寸和流體阻力。

總結(jié)：這項研究成功地設(shè)并驗證了一種即插即用、體積最小化的分合重組（SAR）微型混合器。它通過創(chuàng)新的模塊化插件設(shè)計，解決了高性能被動式微型混合器與現(xiàn)有微流控平臺集成的核心難題。這項工作不僅推動了微型混合技術(shù)的實用化進程，更重要的是，它展示了一種具有前景的系統(tǒng)集成理念：利用微納3D打印的靈活性來制造專用的、高性能的“功能模塊"，以即插即用的方式增強傳統(tǒng)微流控芯片的能力。