研究背景：
在微米级制造、粒子计数和生物分子分析等领域，高效地分离生物细胞或微米级颗粒是一项基础而重要的能力。然而，常规的分离方法如筛分、离心和交叉流动过滤等，存在通量低、颗粒尺寸限制、操作复杂、易堵塞和处理时间长等问题。
近年来，研究人员在人体循环系统和母乳中发现了100纳米至5毫米的微塑料（MPs），与之相关的潜在危害引起了公众和科学界的广泛关注。MPs的尺寸是其在人体内积累的主要因素，通常认为其尺寸不应超过10-15微米，以降低潜在的健康风险。因此，如何在保持高流量的同时有效分离这些小尺寸颗粒，已经成为当前研究的一个热点问题。
微流控技术因其在小尺寸通道中高效灵活操控颗粒的能力而被广泛应用，但其通量通常限制在微升级别，制约了其在大体积样本处理中的应用。为了提高通量并减小芯片尺寸，研究人员设计了多种创新的通道几何结构，包括螺旋形、蛇形、收缩-扩张形以及非矩形截面通道等。这些设计通过改变通道的Dean流动特性，增加了颗粒迁移的物理复杂性，并影响了颗粒在通道中的平衡位置数量，从而为提高微流控芯片的分离效率和通量提供了新的可能性。
导读：
近期，浙江理工大学胡箫团队与中国计量大学包福兵教授团队合作，开发了一种具有仿生过滤叶结构的U形微流控芯片过滤器，其设计灵感源于蝠鲼的滤食机制。该芯片通过结合叶过滤和迪恩流实现了高吞吐量和高效率的颗粒过滤，并具有自清洁特性，为处理大量流体中的各种小颗粒提供了一种新型高效工具。相关研究以“A self-cleaning micro-fluidic chip biospired by the filtering system of manta rays”为题目发表于期刊《Lab on a Chip》。
本文要点：
1、本研究受蝠鲼滤食机制启发，设计了一种U形仿生鳃耙过滤器，结合叶过滤和迪恩流，实现基于尺寸的颗粒过滤。
2、通过模拟微流控流场内的复杂速度场，并结合实验，确定了流量阈值，当入口流量超过阈值时，颗粒过滤效率迅速提高。
3、此外，通过分析过滤机制，开发了三种新型过滤工艺，并探讨了过滤叶角度和通道宽度对过滤效率和出口流量比的影响，制定了优化方案。
全文总结/概括：
为什么选择蝠鲼的滤食器官作为微流控芯片设计的生物模拟对象？
1、高效过滤：蝠鲼在滤食过程中能够高效捕获小于其鳃孔尺寸的食物颗粒，同时排出水体，这种高效的过滤机制为微流控芯片设计提供了灵感。
2、自清洁能力：蝠鲼的过滤系统在捕食过程中不易堵塞，这种自清洁机制对于微流控芯片来说至关重要，可以减少维护成本和提高使用寿命。
3、生物力学原理：蝠鲼的滤食过程体现了复杂的生物和流体力学原理，通过模拟这些原理，有助于开发出更加高效和稳定的微流控系统。
4、环境适应性：蝠鲼在多变海洋环境中的适应性表明其过滤系统具有广泛的适用性，这为微流控芯片在不同应用场景中的使用提供了参考。
在设计微流控芯片时，如何平衡过滤效率和通量？
1、流速控制：精确调节流速可以在保持高过滤效率的同时提高通量。流速过低可能导致过滤效率下降，而流速过高则可能增加颗粒通过的风险。找到最优流速是实现两者平衡的关键。
2、通道设计优化：微流控芯片的通道设计，如通道宽度和过滤叶角度，对过滤效率和通量有直接影响。通过优化这些参数，可以在不牺牲过滤效率的情况下提高通量。
3、利用Dean流：Dean效应可以通过在微流控芯片通道中引入二次流来增强颗粒的侧向迁移，从而提高过滤效率。优化通道的曲率和形状，可以增强Dean效应，但同时也需要考虑其对通量的影响。
4、颗粒尺寸与通道匹配：较大的颗粒在较宽的通道中更易于被捕获，而较小的颗粒则需要更窄的通道或特定的过滤技术来实现有效过滤。通过调整通道尺寸以适应目标颗粒的大小，可以在保持高过滤效率的同时，提高处理通量。
5、自清洁机制：设计具有自清洁能力的微流控芯片，可以减少颗粒在通道中的沉积和堵塞，从而在高通量条件下维持高过滤效率。模拟自然界中蝠鲼的自清洁机制，可以在微流控芯片中实现持续高效的过滤过程。
图1.（A）蝠鲼的摄食行为和鳃耙。（B）PDMS微流控装置照片（通道中注入了红墨水以便于观察）。比例尺为1cm。（C）生物模拟微流控结构的示意图。在插图中显示了主通道尺寸。
图2.（A）荧光流图像展示了10μm颗粒在不同流速下的轨迹。（B）黄线上10μm颗粒在不同流速下的归一化荧光强度分布。（C）两列显示了不同入口流速下10μm颗粒在主通道和侧通道中的无量纲横向平衡位置和过滤效率。（D）6mL/min时在入口和两个出口处采集的显微镜图像。
图3.沿（A）1和（B）4截面模拟速度等值线。白线代表流线。所有左侧图代表侧通道。颜色级别表示流速的大小。位置（C）d4和（D）m4的无量纲速度剖面。每个位置的无量纲速度用其在给定条件下的最大速度归一化。虚线表示速度快速变化的边界（w=177μm）。
图4.开发的三种新型过滤工艺的示意图。FD、FLS、FLW和FR分别是迪恩阻力、剪切诱导惯性升力、壁面诱导惯性升力和作用在颗粒上的合力。在本示意图中，仅对过滤叶结构附近的颗粒进行力分析。
图5.荧光流图像显示了不同流速下（A）5、（B）15和（C）20μm颗粒在出口区域的轨迹。伪彩色的5、15和2020μm颗粒分别用红色、蓝色和绿色表示。图像中的白色虚线标记了通道壁。比例尺为100μm。绿色箭头指示过滤叶之间的回流区域位置。红色箭头指示“反弹”运动发生的位置。
图6.（A）直径为5至20μm的颗粒的过滤效率。（B）主通道和侧通道的无量纲平衡位置与入口流速的函数关系。（C）直径为5至20μm的颗粒在出口1处的流速比。（D）当Q=6mL/min时，在入口和两个出口处采集的15μm颗粒的显微图像。
图7.比较了基于粒径（ap）和入口流量的过滤效率的实验和数值模拟。为了便于比较，实验颗粒过滤效率被分为低（40-60%）、中（60-80%）和高（80-100%）效率，分别用红色框、黑色虚线和绿色圆圈表示。
图8.（A）当过滤叶角度为21°时，直径为10至20μm的颗粒的过滤效率。（B）20μm颗粒在13°、17°和21°过滤叶角度下的过滤效率比较图表。（C）20μm颗粒在200和300μm通道宽度下的过滤效率比较图表。（D）直径为10至20μm的颗粒在21°过滤叶角度下的流速比。（E）当过滤叶角度为13°、17°和21°时，20μm颗粒的流速比比较图。（F）20μm颗粒在200和300μm通道宽度下的流速比比较图。
图9.（A-C）荧光流图像（w=200μm）显示了入口流速为0.5、4和6mL/min时10μm颗粒的颗粒轨迹。（D和E）荧光流图像（w=300μm）显示了入口流速为7和8mL/min时10μm颗粒的颗粒轨迹。这些图像中的白色虚线标记了通道壁。绿色箭头指示过滤叶之间的涡流位置。第一行显示了实验荧光流图像。第二行显示了在相应条件下Z=0横截面上的数值流场速度和流线分布。
图10.（A）单分散和双分散实验中过滤效率的比较。（B）在6mL/min时实验1（10和15μm颗粒）出口区域的荧光流图像。图像中的白色虚线标记通道壁。比例尺为100μm。（C）在6mL/min时实验1（10和15μm颗粒）两个出口处采集的显微镜图像。（D）酵母细胞与单分散悬浮液（5和10μm颗粒）的过滤效率比较。（E）6mL/min时出口区域的酵母细胞的明场图像。红色箭头指示酵母细胞的流线。比例尺为100μm。（F）6mL/min时在两个出口处采集的酵母细胞的显微镜图像。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D4LC00039K
