微流控芯片，最新成果

近日，国际知名期刊《芯片实验室》（Lab on a Chip）以封面文章刊发了大连理工大学机械工程学院刘军山研究员和吴梦希教授团队关于微流控芯片的最新研究成果“Analysis of and methods for void-free liquid filling of blind microchambers in centrifugal microfluidics”。

微流控技术能够实现微米尺度的液体自动化操控，在高通量生物化学分析、即时检测等领域展现出巨大潜力。其中盲孔微腔室，即仅有一个通道与外界连接的微腔室，具有隔绝性好、结构紧凑、易于大面积高通量制造等优势，在微流控芯片中应用广泛。然而，盲孔微腔室在液体填充过程中易出现残留气泡的问题，导致结果准确性下降，甚至无法完成检测过程。

目前应用的方案包括预充高溶解度气体、通过真空或使用多层结构促进气泡排出等，均存在操作复杂、材料限制或成本高昂等问题，难以满足实际应用需求。

刘军山和吴梦希团队长期开展微流控理论与技术研究，针对上述问题，提出了一种简单、高效、稳定的微盲孔液体填充方法。通过设计锥形分支微通道调控气液两相流态，实现盲孔微腔室的无空隙液体填充。

团队通过理论分析、数值模拟和高速摄像实验，发现锥形结构能够提升流体速度，促使流动模式从泰勒流转变为环形流，从而避免气泡残留。研究团队构建了液体填充盲孔微腔室过程中的气液两相流模型，揭示了气液两相流由含气泡泰勒流到气液分层环形流的转变过程，阐明了文丘里效应对泰勒流-环形流转换的促进作用机制。在此基础上，团队提出了收缩式微流道的设计思想，阐明了微流道几何形状对文丘里效应的影响规律，实现了对盲孔微腔室的高效、无空隙液体填充。

实验表明，与传统等宽通道相比，收缩式微流道结构通过利用文丘里效应，可将液体填充时间缩短60.57%，流体速度稳定性提高66.78%，无空隙液体填充的成功率达到99.17%。这一设计无需复杂表面处理或外部干预，仅通过结构优化即可实现高效、稳定的液体填充，为离心式微流控芯片在核酸检测、PCR 扩增和细胞培养等领域的应用提供了可靠的技术支持。

该成果将为微流控芯片的设计制造提供有益的指导，被选为《芯片实验室》期刊封面及2025年热点论文。本论文第一作者为大连理工大学硕士研究生倪维尧，通讯作者为大连理工大学吴梦希教授、刘军山研究员。

吴梦希，大连理工大学教授、博士生导师。国家自然科学基金“海外优青”项目获得者，国家重点研发计划青年项目首席科学家。2010 年及 2013 年于北京大学微电子学系获得学士及硕士学位。2018 年于美国宾夕法尼亚州立大学获博士学位，师从美国国家发明家科学院院士、欧洲科学与艺术学院院士 Tony Jun Huang 教授。2018 年至 2020 年于美国密歇根大学从事博士后研究。2021 年加入大连理工大学机械工程学院，任副教授；2022 年晋升为教授。近年来，主持国家重点研发计划青年科学家项目 1 项，作为主要参与人承担自然科学基金区域联合基金课题 1 项。在美国科学院院刊（PNAS），Advanced Functional Materials，Small，Lab on a Chip，Microsystems & Nanoengineering 等国内外高水平学术期刊上发表 SCI/EI 论文 50 余篇，他引 2000 余次，h 因子 27。主要研究方向：微流控技术；柔性微纳传感器；微纳米加工技术；声学超材料等。

刘军山，大连理工大学机械工程学院研究员、博士生导师，辽宁省微纳米技术及系统重点实验室主任，国家级领军人才、教育部新世纪优秀人才、大连理工大学“星海杰青”，主要从事微纳米制造技术、微流控技术和柔性电子研究。作为项目负责人，主持 1 项国家重点研发计划项目、4 项国家自然科学基金等。发表学术论文 100 余篇，授权发明专利 43 项。以第一完成人，获得 1 项中国机械工业科学技术发明奖二等奖和 1 项中国微米纳米技术学会技术创新奖二等奖。