实验流体力学

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粒子、细胞与液滴控制

微流控芯片技术在血细胞变形和流动性分析研究中的应用进展

戚晓菁, 李学进

2020, 34(2): 1-10. doi: 10.11729/syltlx20190158

摘要(386) HTML (131) PDF(52)

摘要:
近年来，随着微流控芯片技术的快速发展，微流控芯片在生物医学研究领域得到了广泛关注。由于其具有高通量、高灵敏度、集成化、低消耗及可控化等诸多特点，为在多细胞水平研究细胞迁移和分选动力学提供了新的技术平台。利用微流控芯片微通道结构设计灵活的特点，可在实验条件下模拟正常的生理和病理条件下的复杂血管；其微米尺寸的微通道也适于单细胞引入、操纵及检测。因此，用微流控芯片技术在单细胞层面对细胞生物力学性能表征也引起了广泛关注。以健康和疾病中的血细胞为例，从单细胞变形、流动、黏附、机械疲劳等力学性能表征到多细胞迁移及分离动力学等方面归纳目前微流控芯片技术在细胞力学分析和表征方面的研究进展。

动脉内皮血流动力学微环境建模分析和体外模拟方法与技术研究进展

覃开蓉, 梁夫友, 那景童

2020, 34(2): 11-24. doi: 10.11729/syltlx20200029

摘要(419) HTML (166) PDF(28)

摘要:
动脉内皮微环境中的血压、壁面剪应力和牵张应力等血流动力学参量在维持内皮的正常生理功能中扮演着至关重要的角色。在体（in vivo）动脉内皮血流动力学微环境的建模分析与体外（in vitro）模拟研究不仅为心脑血管疾病早期诊断与预防、治疗与康复提供重要的生理指标，而且是深入理解心脑血管疾病发生发展机制不可或缺的基础，具有重要的科学意义和临床应用价值。本文综述了在体动脉内皮微环境的血流动力学建模分析、体外评估动脉内皮微环境血流动力学特性的模拟循环系统（Mock Circulatory System，MCS）以及用于细胞力学生物学研究的体外内皮细胞培养模型（Endothelial Cell Culture Model，ECCM）三方面的研究进展。通过对该领域的主要文献进行归纳和系统分析，指出了亟待解决的方法与技术问题，为进一步开展相关研究提供参考。

微通道中液滴和粒子的运动特性研究

王翔, 逄燕, 申峰, 刘赵淼

2020, 34(2): 25-38. doi: 10.11729/syltlx20190137

摘要(498) HTML (175) PDF(57)

摘要:
微流控技术的快速发展反映了新型检测器件对微型化和集成化的要求，以及当前科学研究和工程应用逐步向多学科交叉领域过渡的趋势。其中，液滴和粒子是微流控技术中两种重要的操控对象。液滴和粒子的微尺度流动通常处于层流范围，然而尺度效应和界面效应将非线性因素引入流动，且受到通道结构、流动条件等多个控制参数的耦合影响，使得微尺度系统表现出多种复杂的流动现象。因此，从流体动力学的机理研究出发揭示微尺度流动的物理机制至关重要。本文综述了课题组近年来关于微通道中液滴和粒子运动的研究，分析了液滴/粒子特征参数的变化规律，界定了不同流动模式的分布状况及临界条件，明确了主导流动的关键参数并建立了相应的受力模型，以期探寻不同行为的操控方法。本文工作可为微尺度下复杂流动理论体系的完善及相关工程应用提供参考。

基于金属橡胶和介电泳效应的微粒循环过滤实验研究

宋春磊, 任玉坤, 何文俊, 姜天一, 姜洪源

2020, 34(2): 39-45. doi: 10.11729/syltlx20190152

摘要(266) HTML (235) PDF(15)

摘要:
为改善金属橡胶板的过滤能力，将多孔金属橡胶板与介电泳力相结合，并利用液态金属在受限空间内的高效泵送功能，研究了金属橡胶板对5 μm聚苯乙烯微球的过滤性能。实验中，将一对金属橡胶板平行嵌入至闭环微流体循环通道内，以实现介电泳力的交流电场梯度。结果表明：由于金属橡胶板内部孔径远大于聚苯乙烯微球直径，在未施加交流电信号的情况下，较难实现过滤功能；而对两个金属橡胶板适当通电，则电解液中的聚苯乙烯微球将被短距离的介电泳力收集于金属橡胶板周围，明显提高过滤效率。

毛细流动聚焦的实验方法及过程控制

穆恺, 司廷

2020, 34(2): 46-56. doi: 10.11729/syltlx20190146

摘要(358) HTML (110) PDF(32)

摘要:
作为一种基于毛细流动制备微纳尺度液滴的技术，毛细流动聚焦（Capillary flow focusing）在工程领域具有重要应用。回顾了基于吹气式和吸气式核心装置的毛细流动聚焦实验方法，展示了完整的测试平台，介绍了施加外部激励控制流动聚焦射流破碎的实验方法。同时，给出了同轴界面的拍摄方法，可获得清晰的内外层流体界面图像。在对流体锥形收缩阶段的研究中，探讨了几何参数与流动控制参数对流体锥形的形态与稳定性的影响。在稳定锥形下，研究了流动控制参数对液体射流直径、扰动波长及复合射流界面耦合的影响，并基于光的折射定律，对复合射流外层界面透镜效应所导致的内界面失真进行了修正。在对激励作用下射流破碎的研究中，考察了射流长度随振幅的变化，建立了尺度率关系，探讨了频率对生成液滴的单分散性及粒径的影响规律，为在实际应用中可控制备单分散性微液滴提供了理论与技术支持。

微流动机理

原子力显微镜的生物力学实验方法和研究进展

关东石, 李航宇, 童彭尔

2020, 34(2): 57-66. doi: 10.11729/syltlx20200026

摘要(494) HTML (254) PDF(54)

摘要:
作为微纳尺度的力学工具，原子力显微镜技术被越来越多地应用于生物力学实验研究，推动了该交叉学科领域的发展。利用多种测量模式与改进的探针，原子力显微镜可以在液体中对亚细胞、细胞、组织等多个尺度的生命物质进行力学测量，研究其在衰老、癌变等生命过程中力学性质的动态变化。本文综述了原子力显微镜的力学测量原理、生物力学的实验方法，以及在单细胞的整体与局部、液-液相分离液滴、上皮囊泡组织等力学测量中的应用，分析了复杂流体与微纳尺度流动对实验测量的影响，并对该领域的发展进行了展望。

微凹槽内液滴流场特性的Micro-PIV实验研究

申峰, 闫成金, 李梦麒, 姬德茹, 刘赵淼

2020, 34(2): 67-72. doi: 10.11729/syltlx20190117

摘要(217) HTML (108) PDF(23)

摘要:
液滴已成为微流控技术的重要研究内容。为了精确调控液滴内的微环境，利用微通道矩形长凹槽生成并封裹液滴，并开展了液滴内部流场特性的显微粒子图像测速（Micro-PIV）实验，研究了雷诺数（Re）对液滴形貌、流场速度矢量场特性和剪应力分布的影响。结果表明，当Re=11.1时，液滴内部出现了一个涡胞结构；当Re=33.3时，液滴中心处的流速达到最大值，约为10 μm/s。然而，当Re=44.4时，涡胞消失，平均流速降低。同时，液滴尺寸随Re增加而减小。此外，Re对液滴内部剪应力变化无明显影响，剪应力平均值极低（< 1.5×10^-4Pa）。

表面微纳结构对气-水界面稳定性和流动减阻的影响

姚朝晖, 张静娴, 郝鹏飞

2020, 34(2): 73-79. doi: 10.11729/syltlx20190161

摘要(521) HTML (262) PDF(42)

摘要:
利用压力-流量测量和流动显示方法研究了6种具有不同微纳结构尺寸的超疏水表面的减阻效果以及表面微结构形状对气-水界面稳定性的影响。实验结果表明：设计的各种超疏水表面在层流和湍流下均具有一定的减阻效果；在相同的固体面积分数情况下，微结构间距越小，减阻效果越好；在具有最小结构间距的微纳二级结构表面上实现了最大减阻率（38.6±4.5）%。流动显示观测发现：减阻率与微结构的层级、尺寸、形貌及槽道流态有关，它们均对气-水界面稳定性有一定的影响，揭示了复合微纳结构之所以能够显著提升减阻效果，是由于添加纳米二级结构减小了原有表面的固体面积分数，并提高了气-水界面的稳定性。此外，对于具有双内凹（伞状）微结构表面的微槽道，即使表面为亲水材料，也可以有效捕捉气体，形成稳定的气-水界面，从而实现超疏水性能。

液固界面滑移研究进展

郑旭, 李战华

2020, 34(2): 80-88. doi: 10.11729/syltlx20190164

摘要(417) HTML (152) PDF(68)

摘要:
滑移边界条件是流体力学研究中一个悠久而重要的科学问题，在微纳流控研究中备受关注。近年来，对简单流体（如水）在光滑液固界面的滑移长度的量级逐渐取得共识，而对复杂流体在液固界面的滑移研究方兴未艾。本文综述了从简单流体扩展至复杂流体的研究过程中，滑移实验研究的新的测量结果以及理论描述方法。重点介绍了近期Charlaix教授课题组采用表面力仪测量高分子电解液的滑移结果，以从介观角度理解复杂流体在液固界面的滑移及其影响因素。

基于单颗粒追踪法研究聚氧化乙烯溶液的微流变特性

周思佳, 王昊利, 包福兵

2020, 34(2): 89-98. doi: 10.11729/syltlx20190143

摘要(233) HTML (93) PDF(13)

摘要:
基于单颗粒追踪方法研究了不同温度与浓度下聚氧化乙烯（PEO）溶液的微观流变特性。根据广义Stokes-Einstein关系及复杂流体黏弹性理论，利用颗粒追踪技术，对浓度为0.4 wt%~1.0 wt%的PEO溶液在25℃、35℃和45℃时的微观流变特性进行了测量和分析。研究结果表明，随着被测溶液浓度的增加，探针颗粒的布朗运动受限趋势增大，其中浓度为1.0 wt%的PEO溶液在25℃时布朗运动受限最为显著。黏弹特性模量求解结果表明：在实验条件下，PEO溶液的黏性模量（G"（ω））占主导而弹性模量（G'（ω））表现较弱；在相同温度下，黏弹性模量随着溶液浓度上升而增大；随着温度的升高，溶液弹性模量和黏性模量都呈现减小趋势，且弹性模量减小速率大于黏性模量减小速率。均方位移标准差分析表明，基于单颗粒追踪的微流变测量误差随追踪时间的增加呈增大趋势。

复杂流体中Janus微马达自扩散泳特性的实验研究

李娜娜, 郑旭, 李战华

2020, 34(2): 99-106. doi: 10.11729/syltlx20200023

摘要(174) HTML (69) PDF(16)

摘要:
Janus微纳马达在生物医学中作为药物输运的载体或在复杂工况中作为微纳机器人的动力部件具有广阔的应用前景。已有研究主要集中于Janus微纳马达在水溶液等简单流体中的运动，而对其在复杂流体中的运动机理及特性的研究仍非常缺乏。通过实验测量了直径2.06 μm的Janus球形微马达在高聚物聚氧化乙烯（PEO）溶液中的自扩散泳特性，实验结果系统描述了高聚物质量分数对Janus微马达自扩散泳速度、运动均方位移（MSD）及转动特性的影响。实验结果显示：高聚物的加入，不仅会影响溶液黏度，还会导致自驱动MSD在短时间段显示亚扩散特性，在推进段显示随高聚物质量分数改变的超扩散特性，甚至还会导致反常的微马达旋转加快现象。