개별 요소로 만들어진 미세유체 회로의 동작 예측

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15609(2015) 이 기사 인용

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미세유체 장치는 다양한 연속 흐름 분석 및 합성 화학 프로토콜을 매우 정밀하게 실행하는 데 사용할 수 있습니다. 적층 제조의 가용성이 높아짐에 따라 새로운 기능과 복잡성을 갖춘 미세유체 장치의 설계가 가능해졌습니다. 그러나 이러한 장치는 미세 가공이나 소프트 리소그래피로 만든 장치보다 제조 변형이 더 큰 경향이 있습니다. 이 보고서에서는 대량 제조 및 적층 제조의 맥락에서 미세 유체 요소 및 회로 수준의 성능 변화를 다루는 제조를 위한 설계 워크플로를 보여줍니다. 우리의 접근 방식은 말단 유압 저항 및 관련 허용 오차를 특징으로 하는 개별 미세 유체 요소에 의존합니다. 모델 미세유체 회로에 대한 간단한 분석 설계 규칙을 구성하기 위해 네트워크 분석이 사용됩니다. 몬테카를로 분석은 개별 요소와 회로 수준 모두에서 사용되어 여러 특정 회로 구성에 대한 예상 성능 지표를 설정합니다. 삼투압 측정법을 기반으로 하는 프로토콜은 이러한 접근법을 검증하기 위해 회로의 혼합 동작을 실험적으로 조사하는 데 사용됩니다. 전체 작업 흐름은 벤치탑에서 즉시 사용할 수 있는 두 가지 애플리케이션 회로에 적용됩니다. 즉, 모듈식으로 프로그래밍할 수 있고 가상으로 예측할 수 있으며 고도로 정밀하고 수동으로 작동할 수 있는 직렬 및 병렬 믹싱 회로입니다.

적층 제조는 마이크로 및 밀리 유체 장치1,2,3,4,5를 제조하기 위한 마이크로 가공 및 소프트 리소그래피에 대한 실행 가능한 대안으로 빠르게 자리잡고 있습니다. SLA(광조형) 또는 압출 기반 프로세스(예: 융합 증착 모델링 또는 FDM)와 같은 방법을 사용하면 비평면 채널 형상을 갖춘 전체 장치를 기존 방법에 비해 더 적은 리소스로 신속하게 제작할 수 있습니다6. 그러나 적층 제조는 일반적으로 미세 가공보다 정밀도가 떨어지므로 유체 이동 및 혼합을 정밀하게 제어하도록 설계된 미세 유체 시스템에서 성능 오류가 발생할 가능성이 있습니다. 미세유체 회로 기능에 대한 제조 가변성의 영향은 문헌에서 정량적으로 조사되지 않았습니다. 복잡한 미세유체 네트워크의 흐름 집중 오류는 일반적으로 예측할 수 없으며 사례별로 임시적으로 해결해야 합니다. 적층 제조는 표준화된 제조 기술을 도입하고 미세유체 시스템 설계를 디지털, 기계 해석 파일로 인코딩함으로써 이러한 종류의 정량적 분석을 가능하게 합니다.

이전에는 가역적으로 연결 가능하고 전자 시스템의 개별 요소와 매우 유사한 터미널 흐름 특성으로 설명되는 SLA를 사용하여 제조된 자체 정렬 개별 미세 유체 요소 플랫폼을 소개했습니다. 이 시스템은 대량 제조에 적합한 표준화된 구성 요소 라이브러리에서 재구성 가능하고 모듈식이며 3차원적으로 복잡하고 계층적으로 설계된 미세 유체 장치를 구성하는 데 적합합니다. 이 연구에서는 성능 변화를 예측하는 가상 구현 전략과 실험적 프로빙 절차를 시연하여 이 시스템을 더욱 개발합니다. 이 전략은 세 부분으로 구성됩니다. (A) 제조로 인한 예상 변화에 따라 검증된 수동 요소의 구성 요소 라이브러리 정의, (B) 벤치탑에서 유용한 응용 프로그램과 함께 일부 간단한 미세 유체 회로의 혼합 작동성을 도출하기 위한 네트워크 분석 및 ( C) 통계 분석 방법을 사용하여 네트워크 성능 변화를 예측합니다.

(A)에서는 선형 회로 분석 및 이에 수반되는 통계 분석 기술과 직관적으로 호환되는 요소 라이브러리를 개발합니다. 각 요소의 수압저항값은 설계자의 편의성을 고려하여 선정되었습니다. 그런 다음 잘 정의된 유압 저항 값을 산출하기 위해 채널 형상을 추론했습니다. (B)에서는 소스 불변 병렬 및 직렬 혼합을 위한 미세유체 회로 토폴로지가 네트워크 분석을 위한 모델 시스템으로 간단한 수학적 규칙으로 구상되고 특성화되었습니다. 네트워크 분석은 모놀리식 미세유체 회로의 작동에 대한 통찰력을 얻는 강력한 방법이지만(다양한 예는 8,9,10,11,12,13 참조) 일반적으로 설계의 중심 도구로 사용되지 않았습니다. (C)에서는 네트워크 성능에 대한 현실적인 시나리오를 시뮬레이션하기 위해 구성 요소의 예상 제조 변형을 포함하여 각 미세 유체 회로의 완전한 가상 구현이 고안되었습니다. 이는 (A)의 모듈 수준에서 수력 저항 공차의 통계적 계산에 광조형술에 대한 기계적 이해를 적용하고 (B)에서 수행된 네트워크 분석에 모듈 수준 공차에 대한 이해를 추가로 적용함으로써 달성되었습니다. 궁극적으로 이러한 모델을 검증하기 위해 삼투압 솔루션을 사용하여 이러한 혼합 회로의 실험적 구현을 ​​조립하고 조사했습니다.