近幾十年來(lái)，由于慣性微流體的高吞吐量、易于制造且不需要外力，人們對(duì)慣性微流體產(chǎn)生了濃厚的興趣。慣性微流控系統(tǒng)的聚焦效率完全取決于微通道的幾何特征，因?yàn)榱黧w動(dòng)力（慣性升力和迪恩阻力）是慣性微流控器件的主要驅(qū)動(dòng)力。在過(guò)去的幾年中，人們提出了新的微通道結(jié)構(gòu)來(lái)提高粒子調(diào)控效率。然而，這些非常規(guī)結(jié)構(gòu)的制造仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。盡管研究人員推動(dòng)了微納加工技術(shù)的前沿發(fā)展，但用于慣性微流控的制造技術(shù)尚未得到全面討論。本文介紹了用于創(chuàng)建慣性微通道的微納加工方法，包括光刻、Xurography、激光切割、微加工、微線技術(shù)、蝕刻、熱壓花、3D打印和注塑成型。還討論了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。然后，從分辨率、結(jié)構(gòu)、成本和材料方面回顧了這些技術(shù)。本文對(duì)慣性微通道的制造方法進(jìn)行了深入的探討，有助于未來(lái)通過(guò)選擇合適的制造技術(shù)來(lái)提高收獲產(chǎn)量和分辨率。

在用于粒子操作的被動(dòng)微流控方法中，慣性微流控因其簡(jiǎn)單、易于制造和高通量而被認(rèn)為是一種有利的過(guò)濾和分離方法。雖然大多數(shù)微流體系統(tǒng)在低雷諾數(shù)（斯托克斯?fàn)顟B(tài)）下運(yùn)行，但慣性系統(tǒng)在雷諾數(shù) （Re） 的中間范圍內(nèi)運(yùn)行，介于斯托克斯和湍流狀態(tài)之間，從而顯著提高吞吐量。

慣性聚焦的機(jī)制取決于慣性升力和粘性阻力之間的平衡。慣性升力主要可分為兩類(lèi)：由懸浮粒子與相鄰壁相互作用產(chǎn)生的壁感應(yīng)升力，以及由速度剖面表現(xiàn)出的拋物線曲率引起的剪切梯度升力。剪切梯度力將顆粒引向壁面，而壁面抬升力將顆粒推離壁面。先前的研究證明，阻塞率（定義為顆粒直徑與通道水力直徑之比）必須超過(guò)閾值 0.07 才能有效聚焦顆粒。隨著堵塞率的降低，粒子聚焦的有效性會(huì)下降。因此，通道尺寸的精度對(duì)于實(shí)現(xiàn)有效的顆粒聚焦起著至關(guān)重要的作用。

慣性微流控器件具有不同的構(gòu)型，包括直線通道、收縮-膨脹通道和彎曲通道。總體而言，粒子聚焦帶的數(shù)量可以通過(guò)橫截面和微通道幾何形狀的變化來(lái)修改。在縱橫比 （AR） = 1 的方形通道中，在通道邊緣中心附近觀察到四個(gè)平衡位置。用矩形 （AR ? 1） 替換橫截面可將平衡位置的數(shù)量減少到兩條線。將橫截面從方形或矩形修改為梯形會(huì)導(dǎo)致通道內(nèi)速度分布的改變，從而影響剪切梯度升力。梯形橫截面內(nèi)速度分布的不對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致最大速度中心向梯形較長(zhǎng)的一側(cè)位移，從而將粒子聚焦引向較長(zhǎng)的側(cè)壁。此外，當(dāng)將橫截面改變?yōu)槿切螘r(shí)，粒子聚焦流的數(shù)量減少到一個(gè);盡管如此，這一結(jié)果在很大程度上取決于通道的縱橫比。例如，Kim等人研究了兩種類(lèi)型的三角形微通道（窄三角形通道和寬三角形通道），并觀察到三個(gè)聚焦帶。Mukherjee等人還研究了低縱橫比三角形橫截面對(duì)粒子聚焦的影響。他們觀察到，單流粒子聚焦在通道高度的40%的位置。還進(jìn)行了大量的數(shù)值研究，以說(shuō)明通道的幾何形狀對(duì)粒子聚焦的影響。此外，更復(fù)雜的幾何形狀，如螺旋或收縮膨脹陣列，將減少顆粒聚焦位置的數(shù)量，并由于施加在顆粒上的二次流動(dòng)和迪恩阻力而形成緊密的聚焦帶。

圖1 慣性微流控器件的微制造方法發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的慣性微納加工方法包括光刻、微加工、3D打印、熱壓花、微線、蝕刻和激光切割。這些方法中的每一種都非常適用于特定的幾何形狀和用途，因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的特性，例如分辨率和表面質(zhì)量。例如，高表面粗糙度會(huì)影響微器件內(nèi)的速度分布并增加湍流效應(yīng)。因此，在慣性微流體中，高表面分辨率至關(guān)重要，因?yàn)橥牧髟酱螅鲃?dòng)擾動(dòng)就越大。

除了幾何形狀之外，由于慣性微流體技術(shù)在醫(yī)學(xué)和生物應(yīng)用中的使用，材料選擇在微納加工方法中起著重要作用。材料選擇的一個(gè)關(guān)鍵因素是生物相容性。例如，疏水性材料吸收藥物和生物分子，或在與有機(jī)材料直接接觸時(shí)膨脹。此外，透明度、可用性、成本效益和無(wú)毒等其他因素在材料選擇中也很重要。

在這項(xiàng)研究中，首次回顧了慣性微流控中的常規(guī)制造方法。這篇綜述提供了有關(guān)影響微通道表面質(zhì)量的參數(shù)的全面信息，以增強(qiáng)高通量下的顆粒聚焦。首先，簡(jiǎn)要介紹了慣性微流控的物理原理以及制造慣性微流控器件的常用材料。然后，解釋了慣性微納加工方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，包括表面質(zhì)量、成本和制造非常規(guī)截面的能力。隨后，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些方法進(jìn)行了比較，最后，闡述了慣性微流控器件的前景及其創(chuàng)新成果。

總體而言，雖然光刻和刻蝕可以制造分辨率為幾微米的2D結(jié)構(gòu)，但是這兩種方法都需要復(fù)雜的設(shè)備和潔凈室設(shè)施，這增加了最終的生產(chǎn)成本。此外，光刻只能得到正交特征。然而，對(duì)于需要尺寸在幾微米范圍內(nèi)的通道的基于尺寸的分選應(yīng)用而言，與其它制造方法相比，這兩種方法仍然具有優(yōu)越性。

圖2 利用光刻法制造掩模的示意圖

相比之下，xurography、微線埋入和熱壓印技術(shù)具有成本效益，但是這些方法分辨率較低，無(wú)法建立尺寸在幾微米范圍內(nèi)的通道。對(duì)于制造具有圓形截面的微通道而言，微線埋入是一種成本低、操作簡(jiǎn)單的方法。然而，由于該技術(shù)的局限性，它只適用于直線和3D螺旋微通道的制造。對(duì)于平面結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)，熱壓印和注塑成型是最好的選擇。

圖3 （a）xurography技術(shù)示意圖；（b）微加工技術(shù)示意圖；（c）基于注塑成型的多層螺旋微流控器件示意圖；（d）熱壓印技術(shù)示意圖；（e）模具制造示意圖；（f）微線埋入技術(shù)示意圖

飛秒激光燒蝕、微加工和3D打印是制造復(fù)雜非平面結(jié)構(gòu)的理想選擇。飛秒激光燒蝕方法便于在玻璃內(nèi)部制造矩形3D結(jié)構(gòu)，而不需要鍵合。對(duì)于更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，微加工和3D打印引起了極大的關(guān)注。雖然微加工技術(shù)只能用于構(gòu)建母模，但3D打印可以同時(shí)用于構(gòu)建母模和具有非常規(guī)結(jié)構(gòu)的微型器件。

圖4 （a）二氧化碳（CO?）和紫外（UV）激光燒蝕技術(shù)示意圖；（b）飛秒激光燒蝕技術(shù)示意圖；（c）最終制造的微通道和母模光學(xué)圖像；（d）利用CO?激光燒蝕技術(shù)制造的三角形、梯形和高縱橫比矩形截面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（e）利用飛秒激光燒蝕技術(shù)制造的3D慣性微流控通道示意圖

圖5 （a）立體光固化成型（SLA）3D打印技術(shù)示意圖；（b）數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)示意圖；（c）利用SLA 3D打印技術(shù)制造的3D螺旋微通道光學(xué)圖像和利用SLA/DLP 3D打印技術(shù)制造的微通道橫截面圖；（d）熔融沉積成型（FDM）3D打印技術(shù)示意圖；（e）多射流（MJ）3D打印技術(shù)示意圖；（f）利用MJ 3D打印技術(shù)制造的微通道圖像及其橫截面

對(duì)于工業(yè)制造而言，利用注塑成型技術(shù)能夠以很高的精準(zhǔn)度快速地生產(chǎn)大量具有良好一致性的零件，并且該技術(shù)適用于各種材料。然而，該技術(shù)也有缺點(diǎn)，例如高昂的模具生產(chǎn)成本，有限的設(shè)計(jì)靈活性，以及最終所獲得零件的表面缺陷性。

綜上所述，在所有慣性微流控器件的微制造技術(shù)中，3D打印是制造復(fù)雜母模和微通道的一種經(jīng)濟(jì)且快速的方法。3D打印的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠制造具有任意橫截面的非常規(guī)結(jié)構(gòu)。然而，每一種制造技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，技術(shù)的選擇最終應(yīng)取決于諸如期望的生產(chǎn)量、器件的復(fù)雜性、材料特性和成本等多重因素。

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