[發明專利]終端封閉微通道中粒子移動的驅動裝置及串級控制方法

有效

• 申請號: 201710930559.8
• 申請日: 2017-10-09
• 公開（公告）號: CN107855141B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 陳將進;陳特歡
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00;B01F13/00;G06F30/20
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 徐關壽

用于終端封閉微通道中粒子移動的控制裝置，包括兩個微泵，混合器，主微通道和終端封閉的支路微通道，主微通道與混合器的出口連通，支路微通道一端封閉、另一端與主通道連通，支路微通道的長度遠大于其口徑，每個微泵驅動的流體內均含有熒光粒子，高速相機采集主微通道和支路微通道內粒子的移動和分布圖像。串級控制方法，使用粒子移動時空演化模型的最優控制策略控制終端封閉的支路微通道的粒子濃度分布，再使用濃度調節模型的滾動跟蹤控制策略和基于深度學習的滾動跟蹤控制策略控制主通道的溶液濃度分布。本發明具有能夠模擬藥物通過主血管通道傳輸，到藥物的輸送目標并使藥物精確受控的擴散到封閉支路血管上的優點。

技術領域

本發明涉及具有終端封閉微通道的微流控芯片以及對終端封閉微通道中粒子移動的控制方法。

背景技術

在20世紀，人們借助于電子在半導體或金屬中流動得到的“信息”，成就了具有戰略意義的信息科學技術；而在21世紀，通過帶有可溶性生物分子或懸浮細胞的水溶液在微流控芯片通道或平面上流動以研究生命、理解生命，以至于部分地改造生命，將有可能同樣成就一種新的具有戰略意義的科學技術：微流控學。微通道中粒子移動是微流控學研究的熱點之一。而在終端封閉的微通道中，由于其一端封閉的幾何形狀是不允許有凈流體流量產生，如何將粒子有效地傳輸到終端封閉的幾何形狀中對許多生命領域是非常重要的。在藥物傳輸中，藥物通過主血管通道傳輸，然而連接著的旁支(封閉支路)，都是一些需要藥物治療的重要部位，比如壞死的細胞區域。在大腦細胞外間隙中，由于不規則的細胞排列產生“死區”，分子在死區內運動不僅與細胞外間隙的擴散緊密相關，而且影響死區附近，細胞對分子的吸收。

眾所周知，布朗運動很自然地作為一種粒子移動的機制，然而單靠布朗運動是非常低效的。壓力驅動微流體運動，流體攜帶著粒子移動的方案并不可取，由于終端封閉的微通道中沒有凈流量，施加的流體壓力不僅沒能驅動粒子，反而有可能破壞終端封閉結構。電動驅動作為微流控學近十幾年來主要研究熱點之一，其在粒子移動方面有較成熟的研究，但在終端封閉這些較偏的“支路”結構中施加電場，顯得力不從心。通過化學的方法，設計粒子移動的化學條件，對于現有的科技提出很大的挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠模擬藥物通過主血管通道傳輸，到藥物的輸送目標為封閉支路血管(如壞死的細胞區域)的控制裝置和在此情況下使藥物能夠精確受控的擴散到封閉支路血管上的控制方法。

用于終端封閉微通道中粒子移動的控制裝置，包括兩個微泵，混合器，主微通道和終端封閉的支路微通道，每個微泵與混合器的一個入口連通，主微通道與混合器的出口連通，支路微通道一端封閉、另一端與主通道連通，支路微通道的長度遠大于其口徑，每個微泵驅動的流體內均含有熒光粒子，高速相機采集主微通道和支路微通道內粒子的移動和分布圖像。

進一步，混合器的流道的截面呈矩形，主通道的截面呈矩形，支路微通道的截面呈矩形。

一個微泵驅動去離子水，另一個微泵驅動NaCl溶液，NaCl溶液和去離子水中分別含有聚苯乙烯熒光粒子，熒光粒子用于模擬膠體，微泵使溶液在終端封閉的支路微通道中產生不同的濃度梯度，從而產生不同的粒子速度，形成特定的粒子分布。

進一步，兩個微泵的型號均為LEP01-2A，微泵的流量控制范圍是：0.0002μl/min-8.6699ml/min,NaCl溶液和去離子水中都含有相同的粒子濃度。

用于終端封閉微通道中粒子移動的串級控制方法，使用粒子移動時空演化模型的最優控制策略控制終端封閉的支路微通道的粒子濃度分布，再使用濃度調節模型的滾動跟蹤控制策略和基于深度學習的滾動跟蹤控制策略控制主通道的溶液濃度分布。

進一步，支路微通道的粒子濃度分布的控制方法包括以下步驟：