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2023年6月1-3日 | 苏州国际博览中心B1-E1号馆

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医疗器械制造展技术热点 | 如何减少微流体中的气泡?

2023-01-05

你是否曾经在医院里,手臂上插着针管进行静脉注射 (IV) 治疗,然后注意到输液管中的气泡,想着如果这些气泡进入你的静脉,那会发生什么事情?它们是否会造成危险?(小技巧:用指甲轻敲轻弹气泡的同一水平位置后气泡就会消失。真是松了一口气!)

在微流体中,管道或封闭通道中出现气泡是一种非常常见的现象,并且由于液体通道很小,因此很难解决这一现象的发生。医疗器械制造展Medtec China 意识到根据不同的应用,气泡可能会对工艺流程的性能和预期用途产生重大影响。在最坏的情况下,它们将使微流体设备失灵或无法使用。

 

微气泡的来源

 

在进行静脉注射时,输液管中很容易出现气泡;然而,在微流体通道中却很难检测和看到气泡。无论采用何种系统或微流体形式,从源头上避免或消除这些气泡才是关键。

1.溶解气体

任何液体中都有可能产生气泡。当温度、压力突然发生变化或突然出现液体摇动时可能会产生气泡。如果液体中气体的含量超过了气体分子的溶解度极限,那么所有多余的气体就会形成气泡——前提是液体量足以容纳这些气泡。这将形成一种稳态条件,在这种条件下,新的分子被注入液体并形成气泡。

2. 导入液体时所形成的气泡

在微流体通道中,当引入流体时,气袋被困在腔体中,流体通路中就会产生气泡。引入流体时可能会在流体网络内产生气泡。在引入试剂的过程中,气泡的产生和数量取决于多种因素,如设备使用的材料、流速、粘度、化学成分、通道特征和流体引入方法等。在加入样品时,由于设备的疏水性,气泡可能被困在通道或周围的组成部分中。

3. 通道的表面疏水性和粗糙度

微流控设备的表面特性对气泡在通道中的产生有着重要影响。使用疏水材料时,气泡被困住并粘附在通道表面,阻碍试剂的平稳流动。如果通道表面粗糙不平,则会改变液体的流动特征,诱发气泡的形成。

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4. 产生气泡的部件

微流控设备涉及到通道网络、储液器、微观-宏观界面以及其他微观组成部分。涉及到流体过渡的部件,例如微过滤器、混合器、腔室、微柱、刻槽和坡面等,在液体流过时会产生气泡。

5. 设备中突然出现的膨胀现象(即接口和过渡)

任何通道设计中会发生流体突然膨胀的设备都会被视为一台气泡生成器。当流体流速由高变低时,就会产生气泡。例如,在线微过滤器就是一台气泡生成器。具有一定流速的液体被迫通过一个直径较小的孔口,在这个过程中,气泡就产生了。

6. 流体性质和成分的变化

流经通道的流体粘度对气泡的产生起着非常重要的作用。流体的粘度是速度和通道特征之间的直接关系。该设备中所使用的材料、微流体通道的表面特性以及流体的特性和成分都会增加气泡形成的可能性。

7. 流体温度和压力的变化

流体的温度变化会在通道中产生气泡。这是压力和液体蒸发的共同作用,将液体变为气态,形成气泡。研究表明,气泡直径随压力增大而减小,而其纵横比则随压力增大而增大。温度造成的影响比较复杂,因为饱和蒸汽压力和系统压力的比值是处于变化状态的。当此比值较大时,由于汽化现象,气泡直径将随温度的升高而增大;当此比值较小时,气泡直径将随温度的升高而减小。

8. 表面活化剂

最后,加入的表面活化剂(即表面活性剂、肥皂等)和发泡剂将降低液体表面的张力,从而加剧液体中气泡的形成。这些表面活化剂的目的是稳定液滴界面,促进流体的流动和生物相容性,并改善液滴之间的分子交换。

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微流控设备中的气泡所带来的影响

每个确定因素不是互相独立的,它们将合力造成影响。因此,在微流控设备的开发中,将每个影响因素都纳入考虑,并将设备作为一个系统进行设计是至关重要的。一次性消除所有气泡来源是一大难点。如果某一来源不影响设备的工作过程和性能,则将其在流体系统中产生的气泡最小化到可接受的水平就足够了。以下是气泡在微流控设备中的负面影响

  • 气泡模糊了被研究的目标粒子或物体的视野。在显微镜下,气泡通常呈现黑色。此外,在光学检测中存在的气泡会导致错误的结果。在大多数情况下,气泡是一项人为产物,使人无法识别目标粒子,从而改变检测系统的性能。此外,目标粒子也将变得难以观察,尤其是在被气泡覆盖时。

  • 气泡会改变通道内的流动特征和流量。一个大气泡往往会限制流速,而一旦积聚到一定位置时,它将降低流量,使检测过程无法正常进行。

  • 气泡会增加流体的阻力,导致需要增加调节压力来驱动液体的流动。当气泡限制了流速时,需要通过气动系统来增加驱动压力,从而实现系统所需的流量。

  • 气泡会对生物样品以及被研究的生物材料产生影响。对于细胞,气泡可能附着在壁膜上,从而影响后续的过程或反应,加重检测失败的风险。

  • 气泡容易堵塞微流控流体网络。当发生堵塞时,设备将不能再继续执行检测,从而失去作用。小通道(5-57微米)非常容易受气泡的影响。气泡有时会附着在通道壁上并开始积聚,从而阻碍液体的流动。如果使用自动顺序驱动,则对压力和流体流量的监测将变得非常具有挑战性,导致设备故障。当流体流量减少时,堵塞现象将沿着流体网络发生。

如何避免和减轻微流体网络中产生的气泡

有很多方法用来避免和减少气泡的出现和形成:

  • 将微流控设备作为一个系统进行设计。流体网络中气泡的生成是未经适当设计的设备所造成的。设备应该基于覆盖所有要求(从检测过程到最终产品)的目标产品进行设计。

  • 进行模拟和建模以了解流体的流动特性。这会对微特性的正确设计提供指导,并帮助理解突然膨胀所产生的影响或如何使用现成的零件和配件。

  • 确定并设计合适的配件和部件。设备中使用的部件越少越好。

  • 在流体进入设备之前对其进行脱气,减少溶解在其中的气体。

  • 选择合适的材料、零部件制造技术和表面处理技术。

  • 使用机械搅拌器增加气泡的大小,将气泡与流体分离。或增加压力并保持脉冲,以及在某些情况下适当增加温度。

  • 引入一个在线气泡阱或一个通风口,将气泡从通道中转移出去。

  • 用一张薄膜去除气泡。选择一种气体可以通过但液体不能通过的薄膜。这将减少通道网络中气泡的产生。

要点

微流体气泡可以是宏气泡,也可以是微气泡。与静脉输液管中的气泡不同,微流体气泡顽固且难以去除。仅靠手指轻敲或轻弹都没有用。

如果设计和制造不当,微流体通道和周围的组成部分都将成为潜在的气泡来源。气泡总会存在。请仅将本文中概括的建议当做良好设计和制造的常用做法。

如有可能,请避免系统中潜在的气泡来源;然而,如果由于设备和检测方法的限制而无法避免,则应尽量减少可能的来源并提供缓解措施。必须设置一定水平的接受标准,使得任何气泡都不会影响设备的性能。虽然对流体进行脱气是理想的操作,但它需要在工作流程中加入一个额外的处理步骤。可以使用具有渗透膜的在线气泡阱,但当系统中存在限制,例如占地面积、部件大小或组件的可制造性时,这可能不是最佳选择。

必须在平衡微流体设备的整体复杂性、成本和性能的情况下考虑预防和缓解方案的组合。此外,在初始设计过程中的仿真和建模提供了一种节省时间和原型开发工作量的方法,特别是对被认为是潜在气泡生成器的组成部分和对微流控设备性能至关重要的部件来说。

文章来源:

 Medtec医疗器械设计与制造