Микрофлюидальная система (варианты), способ ее изготовления и способ управления потоком текучей среды

Микрофлюидальная система (варианты), способ ее изготовления и способ управления потоком текучей среды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к микрофлюидальным системам, к способу изготовления такой микрофлюидальной системы и к способу управления или манипулирования потоком текучей среды через микроканалы такой микрофлюидальной системы.

Микрофлюидальные системы можно использовать в биотехнологических и фармацевтических приложениях, а также в микроканальных системах охлаждения в приложениях, связанных с микроэлектроникой. Микрофлюидальные системы в соответствии с настоящим изобретением компактны, дешевы и просты в обработке.

Микрофлюидальная техника относится к области, которая основана на многих дисциплинах, включая физику, химию, прикладные дисциплины и биотехнологию, и в которой исследуют поведение текучих сред в объемах, в тысячи раз меньших, чем обычная капля. Микрофлюидальные компоненты образуют основу так называемых устройств типа «лаборатория на чипе» или сеток биочипов, которые могут обрабатывать микролитровые и нанолитровые объемы текучей среды и проводить высокочувствительные аналитические измерения. Способы изготовления, используемые для создания микрофлюидальных устройств, относительно недороги и приемлемы как для получения усложненных устройств, требующих больших трудозатрат, так и для массового производства. Точно также как технологии для микроэлектроники, микрофлюидальные технологии обеспечивают изготовление устройств с высокой степенью интеграции для выполнения нескольких различных функций на одном и том же чипе подложки.

Микрофлюидальные чипы становятся ключевой основой для многих современных быстроразвивающихся технологий, таких как быстрая селекция и сортировка ДНК по размеру, манипуляции с клетками, клеточный сортинг и молекулярное детектирование. Помимо всего остального микрофлюидальная техника является важной составляющей в попытках разработки генных чипов и белковых чипов.

Во всех микрофлюидальных устройствах существует основополагающая потребность в управлении потоком текучей среды, то есть текучие среды нужно транспортировать, смешивать, разделять и направлять через микроканальную систему, состоящую из каналов, типичная ширина которых составляет около 0,1 мм. Проблема в осуществлении микрофлюидальных исполнительных механизмов заключается в том, чтобы разработать компактную и надежную микрофлюидальную систему для регулирования потока сложных текучих сред разного состава, например слюны или цельной крови, или манипулирования этим потоком в микроканалах. Разработаны различные исполнительные механизмы, которые и используются в настоящее время, например схемы с приводом от давления, механические клапаны и насосы, изготовленные по микротехнологии, насосы типа тех, которые применяются в струйных принтерах, потоки, управляемые электрокинетическими средствами, и поверхностные звуковые волны.

Применение технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) к микрофлюидальным устройствам стимулировало разработку микронасосов для транспортировки множества жидкостей в широком диапазоне расходов и давлений.

В документе US 2003/0231967 предложен узел 11 микронасоса для использования в микрогазовом хроматографе и т.п. с целью приведения газа в движение через хроматограф. Узел 11 микронасоса (фиг.1) включает в себя микронасос 22, имеющий последовательно расположенные полости насоса, подвергнутые микромеханической обработке, соединенные микроклапанами 24. Общая насосная мембрана делит полость на верхнюю и нижнюю насосные камеры. Привод обеих насосных камер осуществляет упомянутая общая насосная мембрана, которая может представлять собой полимерную пленку, такую, как париленовая (parylene) пленка. Движение насосной мембраны и регулирование общего микроклапана синхронизированы для управления потоком текучей среды через пару блоков насоса в ответ на множество электрических сигналов.

Узел 11 также содержит впускную трубку 2 6 и выпускную трубку 28. Таким образом, операция перекачивания запускается электростатическим образом посредством оттягивания мембран насоса и клапана вниз в определенном цикле. За счет запланированной подачи электрического сигнала определенным образом, можно посылать газ в том или ином (обратном) направлении. При наличии электродов на обеих сторонах мембрана с электростатическим приводом легко преодолевает механические ограничения колебаний и демпфирования, возникающие из-за движения сопротивляющегося воздуха через отверстия и полости.

Узел 11 микронасоса (US 2003/0231967) является примером мембранного объемного насоса, в котором отклонение мембран, изготовленных посредством микромеханической обработки, обеспечивает работу по перекачиванию жидкостей.

Вместе с тем, недостаток применения узла 11 микронасоса (US 2003/0231967) и применения микронасосов вообще заключается в том, что они должны быть некоторым образом встроены в микрофлюидальные системы. Это означает, что размер микрофлюидальных систем будет увеличиваться. Следовательно, было бы полезно иметь микрофлюидальную систему, которая является компактной и дешевой, при этом простой в обработке.

Технической задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной микрофлюидальной системы и способа ее изготовления и эксплуатации. К преимуществам настоящего изобретения можно отнести, по меньшей мере, одно из таких качеств, как компактность, дешевизна и простота в обработке.

Поставленная задача решена путем создания способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Конкретные и предпочтительные аспекты изобретения приведены в прилагаемых независимых и зависимых пунктах формулы изобретения. Признаки зависимых пунктов формулы изобретения могут быть объединены с признаками независимых пунктов формулы изобретения и с признаками других зависимых пунктов формулы изобретения в соответствии с предназначением, а не просто потому, что эта возможность явно указана в пунктах формулы изобретения.

Согласно первому аспекту изобретения предложена микрофлюидальная система, содержащая, по меньшей мере, один микроканал, имеющий стенку с внутренней стороной, причем микрофлюидальная система дополнительно содержит

множество цилиарных (ресничных) исполнительных элементов, прикрепленных к внутренней стороне стенки, при этом каждый цилиарный исполнительный элемент имеет форму и ориентацию, и

средство для приложения стимулирующих воздействий к множеству цилиарных исполнительных элементов, чтобы вызывать изменение их формы и/или ориентации.

Приложение стимулирующих воздействий к множеству цилиарных исполнительных элементов обеспечивает способ локального манипулирования потоком сложных текучих сред в микрофлюидальной системе. Исполнительные элементы могут приводиться в движение или адресоваться по отдельности или по группам для получения конкретных путей для потока текучей среды.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, исполнительные элементы могут быть полимерными исполнительными элементами и могут содержать, например, полимерные МЭМС. Полимерные материалы обычно являются ударно-вязкими, а не хрупкими, относительно дешевыми, упругими, позволяют достичь больших относительных деформаций (до 10%), и допускают возможность обработки на больших площадях поверхности посредством простых процессов. Следовательно, они пригодны, в частности, для формирования исполнительных элементов в соответствии с настоящим изобретением.

Средство для приложения стимулирующего воздействия к множеству цилиарных исполнительных элементов может быть одним из средств генерирования электрического поля (например, источника тока), средства генерирования электромагнитного поля (например, источника света), средства генерирования внешнего или внутреннего магнитного поля или средства нагрева.

В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения средство приложения стимулирующего воздействия к цилиарным исполнительным элементам может быть средством генерирования магнитного поля. Тогда исполнительные элементы могут содержать одну из таких составляющих, как однородный непрерывный магнитный слой, непрерывный магнитный слой в виде рисунка или магнитные частицы.

В вариантах осуществления изобретения множество цилиарных исполнительных элементов может быть расположено в первом и втором рядах, причем первый ряд исполнительных элементов может находиться в первом положении на внутренней стороне стенки, а второй ряд исполнительных элементов может находиться во втором положении на внутренней стороне стенки, при этом первое положение и второе положение находятся, по существу, напротив друг друга.

В других вариантах осуществления настоящего изобретения множество цилиарных исполнительных элементов может быть расположено во множестве рядов исполнительных элементов, которые образуют двумерный массив.

В дополнительных вариантах осуществления настоящего изобретения множество цилиарных исполнительных элементов может быть расположено в произвольном порядке на внутренней стороне стенки микроканала.

Согласно второму аспекту согласно изобретению предложен способ изготовления микрофлюидальной системы, содержащей, по меньшей мере, один микроканал.

Способ заключается в том, что

снабжают внутреннюю сторону стенки, по меньшей мере, одного микроканала множеством цилиарных исполнительных элементов и

используют средство для приложения стимулирующего воздействия к множеству цилиарных исполнительных элементов.

Снабжение цилиарными исполнительными элементами можно осуществить посредством

осаждения удаляемого слоя, имеющего длину L, на внутренней стороне стенки,

осаждения материала исполнительных элементов поверх удаляемого слоя,

высвобождения материала исполнительных элементов с внутренней стороны стенки путем полного удаления удаляемого слоя.

Удаление удаляемого слоя можно осуществить посредством травления.

В соответствии с вариантами осуществления изобретения способ может дополнительно предусматривать снабжение цилиарных исполнительных элементов однородным непрерывным магнитным слоем или непрерывным магнитным слоем в виде рисунка или магнитных частиц. Снабжение средством для приложения стимулирующего воздействия к цилиарным исполнительным элементам может включать в себя снабжение средством генерирования магнитного поля.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предложен способ управления потоком текучей среды через микроканал микрофлюидальной системы. Микроканал имеет стенку с внутренней стороной. Способ заключается в том, что

снабжают внутреннюю сторону стенки множеством цилиарных исполнительных элементов, причем каждый исполнительный элемент имеет форму и ориентацию,

прикладывают стимулирующее воздействие к исполнительным элементам, вызывая изменение их формы и/или ориентации.

В конкретном варианте осуществления изобретения приложение стимулирующего воздействия к исполнительным элементам можно осуществить путем приложения магнитного поля.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предложена микрофлюидальная система, содержащая, по меньшей мере, один микроканал, имеющий стенку с внутренней стороной, причем микрофлюидальная система дополнительно содержит

множество электроактивных полимерных исполнительных элементов, прикрепленных к внутренней стороне стенки, и

средство для приложения стимулирующих воздействий к множеству электроактивных полимерных исполнительных элементов с тем, чтобы привести жидкость в движение в направлении вдоль микроканала.

Электроактивный полимерный исполнительный элемент может содержать полимерный гель, композит «иономерный полимер-металл» (КИПМ), или другой подходящий электроактивный полимерный материал.

Микрофлюидальная система в соответствии с изобретением может быть применена в биотехнологических, фармацевтических, электрических или электронных приложениях.

Эти и другие характеристики, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют на примерах принципы изобретения, на которых:

фиг.1 изображает известный узел микронасоса;

фиг.2 - пример цикла маха реснички, иллюстрирующий рабочий такт и такт возврата, согласно изобретению;

фиг.3 - волну ресничек, демонстрирующую их взаимодействие в метахронной волне, согласно изобретению;

фиг.4 - гибкую структуру полимерной МЭМС и соответствующую реагирующую поверхность, покрытую такой гибкой структурой полимерной МЭМС, согласно изобретению;

фиг.5 - схему одиночного полимерного исполнительного элемента, согласно изобретению;

фиг.6 - схему микроканала, внутренняя сторона стенки которого покрыта прямыми полимерными исполнительными элементами, согласно изобретению;

фиг.7 - схему поперечных сечений микроканала, внутренняя сторона стенки которого покрыта полимерными исполнительными элементами, которые завиваются и распрямляются, согласно другому варианту осуществления изобретения;

фиг.8 - схему поперечных сечений микроканала, внутренняя сторона стенки которого покрыта полимерными исполнительными элементами, которые совершают асимметричное движение взад и вперед, согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.9 - полимерный исполнительный элемент, содержащий непрерывный магнитный слой, согласно изобретению;

фиг.10 - полимерный исполнительный элемент, содержащий магнитные частицы, согласно изобретению;

фиг.11 - схему приложения однородного магнитного поля к прямому полимерному исполнительному элементу, согласно изобретению;

фиг.12 - схему приложения вращающегося магнитного поля к отдельным полимерным исполнительным элементам, согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.13 - схему приложения неоднородного магнитного поля с помощью электропроводной шины для приложения крутящего момента к полимерному исполнительному элементу, согласно дополнительному варианту осуществления изобретения;

фиг.14 - иллюстрацию работы исполнительного элемента из композита «иономерный полимер-металл» (КИПМ), который может включать в себя полимеры, например перфторкарбонатный или перфторсульфонатный исполнительный элемент, согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Ниже настоящее изобретение будет описано со ссылками на конкретные варианты его осуществления со ссылками на чертежи, объем притязаний изобретения ограничивается только формулой изобретения. Масштаб размеров некоторых элементов на чертежах может быть преднамеренно увеличен в иллюстративных целях. В тех случаях, когда в описании и в формуле изобретения употребляется термин «содержащий», он не исключает другие элементы или этапы. Все случаи употребления существительных в единственном числе включают в себя и множественное число таких существительных, если конкретно не указано иное.

Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.п. употребляются в описании и формуле изобретения для установления различий между аналогичными элементами и не обязательно отражают последовательный или хронологический порядок. Следует понять, что употребляемые термины являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, а описываемые варианты осуществления настоящего изобретения работоспособны при последовательностях операций, отличающихся от тех, которые описаны или проиллюстрированы.

Кроме этого, термины «сверху», «снизу», «над», «под» и т.п. употребляются в описании и формуле изобретения в описательных целях. Употребляемые термины являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, а описываемые здесь варианты осуществления настоящего изобретения работоспособны при ориентациях, отличающихся от тех, которые описаны или проиллюстрированы.

Согласно первому аспекту предложена микрофлюидальная система, снабженная средствами, которые обеспечивают транспортировку либо (локальное) смешивание или направление текучих сред через микроканалы микрофлюидальной системы. Согласно второму аспекту предложен способ изготовления такой микрофлюидальной системы. Согласно третьему аспекту изобретения предложен способ управления потоком текучей среды через микроканалы микрофлюидальной системы. Микрофлюидальные системы в соответствии с изобретением экономичны и просты в обработке, устойчивы к внешним воздействиям, компактны и пригодны для очень сложных текучих сред.

Микрофлюидальная система в соответствии с изобретением содержит, по меньшей мере, один микроканал и встроенные микрофлюидальные элементы, также называемые встроенными исполнительными элементами, на внутренней стороне стенки упомянутого, по меньшей мере, одного микроканала. В любом из вариантов осуществления настоящего изобретения исполнительные механизмы могут быть, например униморфами, биморфами или мультиморфами. В соответствии с изобретением встроенные микрофлюидальные элементы предпочтительно могут быть выполнены на основе полимерных материалов. Подходящие материалы раскрыты в "Electroactive Polymer (ЕАР) Actuators as Artificial Muscles", ed. Bar-Cohen, SPIE Press («Исполнительные механизмы из электроактивных полимеров (ЭАП) в качестве искусственных мышц», редактор Бар-Коэн, издательство ЭсПиАйИ-Пресс), 2004 г. Вместе с тем, для исполнительных элементов можно использовать и другие материалы. Материалы, которые можно использовать для формирования исполнительных элементов в соответствии с настоящим изобретением должны быть такими, чтобы сформированные исполнительные элементы имели следующие характеристики:

исполнительный элемент должен быть податливым, т.е. нежестким;

исполнительный элемент должен быть ударно-вязким, не хрупким;

исполнительные элементы должны реагировать на некоторое стимулирующее воздействие, например воздействие светом, электрическим полем, магнитным полем, и т.д., изгибаясь или изменяя форму; и

исполнительные элементы должны быть простыми в обработке посредством относительно дешевых процессов.

Материал, который используется для формирования исполнительных элементов, должен иметь функциональные свойства в зависимости от типа стимулирующего воздействия на исполнительные элементы. Рассматривая первую, вторую и четвертую характеристики из вышеуказанного краткого списка, отмечаем, что полимеры предпочтительны, по меньшей мере, для части исполнительных механизмов. В соответствии с настоящим изобретением можно использовать большинство типов полимеров, за исключением очень хрупких полимеров, таких, как полистирол, которые не очень подходят для использования с настоящим изобретением. В некоторых случаях, например, в случае электростатического или магнитного принципа действия исполнительных элементов (см. далее) - можно использовать металлы для формирования исполнительных элементов, или металлы могут быть частью исполнительных элементов, например, в составе композитов типа «иономерный полимер-металл» (КИПМ). Например, при использовании магнитного принципа действия исполнительных элементов для формирования исполнительных элементов можно использовать FeNi или другой магнитный материал. Вместе с тем, недостатком металлов являются механическая усталость и стоимость обработки.

В соответствии с изобретением, можно использовать все подходящие материалы, т.е. материалы, которые способны изменять форму, например, посредством механической деформации в ответ на внешнее воздействие. Традиционные материалы, которые демонстрируют эту механическую реакцию и которые могут быть применены для формирования исполнительных элементов с целью их использования при осуществлении способов в соответствии с настоящим изобретением, могут быть электроактивными пьезоэлектрическими керамическими материалами, например, такими, как титанат бария, кварц или цирконат-титанат свинца (PZT). Эти материалы могут реагировать расширением на прикладываемое внешнее стимулирующее воздействие, например, прикладываемое электрическое поле. Вместе с тем, важный недостаток электроактивных керамических материалов состоит в том, что они являются хрупкими, т.е. они довольно легко ломаются. Помимо этого, важный недостаток технологии обработки электроактивных керамических материалов заключается в том, что она является довольно дорогостоящей и не может быть реализована на больших площадях поверхности. Следовательно, электроактивные

керамические пьезоэлектрические материалы могут оказаться пригодными лишь в ограниченном количестве случаев.

Более исследованным в последнее время классом реакционно-способных материалов является класс сплавов, обладающих памятью формы (СОПМ). Это - металлы, которые демонстрируют способность возвращаться к запомненной форме или размерам, когда их нагревают выше некоторой температуры. Таким образом, стимулирующим воздействием в данном случае является изменение температуры. Вообще говоря, такие металлы могут деформироваться при низких температурах и будут возвращаться к своей исходной форме под воздействием высокой температуры за счет фазового превращения, которое происходит при критической температуре. Примерами таких СОПМ могут быть NiTi или сплавы на основе меди и алюминия (например, CuZnAl и CuAl). СОПМ также имеют некоторые недостатки и поэтому в ряде случаев, когда эти материалы можно использовать для формирования исполнительных элементов, также существуют ограничения. Эти сплавы являются относительно дорогими в изготовлении и механической обработке, непростой оказывается и обработка больших площадей их поверхности. Кроме того, большинство СОПМ имеют неудовлетворительные свойства усталости, а это означает, что материал может отказать после ограниченного количества циклов нагрузки.

Другие материалы, которые можно использовать, включают в себя все формы электроактивных полимеров (ЭАП). Их можно весьма обобщенно подразделить на два класса: ионные и электронные. Электронно-активируемые ЭАП включают в себя любые из электрострикционных (например, электрострикционных графт-полимеров), электростатических (диэлектрических),

пьезоэлектрических, магнитных, электровязкоупругих,

жидкокристаллических эластомерных полимеров и полимеров, возбуждаемых сегнетоэлектрическим воздействием. Ионные ЭАП включают в себя гели, такие, как ионополимерные гели, композиты «иономерный полимер-металл» (КИПМ), электропроводные полимеры и карбоновые нанотрубки. Эти материалы могут демонстрировать проводящие или фотонные свойства или могут быть химически активируемыми, т.е. могут деформироваться неэлектрическими средствами. Любые из вышеупомянутых ЭАП могут быть выполнены с возможностью изгиба со значительной реакцией искривления и могут быть использованы, например, в форме цилиарных исполнительных механизмов.

В соответствии с настоящим изобретением исполнительные элементы в предпочтительном варианте могут быть сформированы из полимерных материалов или могут включать их в себя в качестве части. Поэтому в нижеследующем тексте изобретение будет описано на примерах полимерных исполнительных элементов. Вместе с тем, специалист в данной области техники поймет, что настоящее изобретение также применимо и в случае, когда для формирования исполнительных элементов используются другие материалы, а не те полимеры, которые описаны выше. В общем случае, полимерные материалы являются ударно-вязкими, а не хрупкими, относительно дешевыми, упругими, позволяя достичь больших относительных деформаций (до 10%), и допускают перспективу обрабатываемости на больших площадях поверхности посредством простых процессов.

Микрофлюидальную систему в соответствии с настоящим изобретением можно использовать в биотехнологических приложениях, таких, как микросистемы общего анализа, микрофлюидальная диагностика, микрофабрики и химические и биохимические микроустановки, быстрая селекция и сортировка ДНК по размеру, манипуляции с клетками и клеточный сортинг, в фармацевтических приложениях, в частности, при высокопроизводительном комбинаторном тестировании, где существенным является локальное смешивание, и в микроканальных системах охлаждения, например в приложениях, связанных с микроэлектроникой.

Согласно одному аспекту изобретения характер работы исполнительных микромеханизмов, в частности полимерных исполнительных микромеханизмов, в соответствии с изобретением определяется природой. Природе известны многие пути манипуляций с текучими средами в малых масштабах, например, в масштабах 1-100 микрон. Одним конкретным обнаруженным механизмом является тот, который работает благодаря покрытию из совершающих махи ресничек на внешней поверхности микроорганизмов, например, таких, как Paramecium, pleurobrachia и opaline. Для удаления загрязнений также используется зазор между подвижными ресничками, как в бронхах и носу млекопитающих. Ресничка может быть видна как прикрепленный к поверхности маленький волосок или гибкий стерженек, который, например, в простейших одноклеточных животных организмах (протозоа) может иметь типичную длину 10 мкм и типичный диаметр 0,1 мкм. Помимо исполнения роли движительного механизма для микроорганизмов, другими функциями ресничек являются очистка жабр, питание, выделение веществ из организма и размножение. Например, трахея человека покрыта ресничками, которые транспортируют слизь вверх из легких. Реснички также используются для создания питающих потоков неподвижными организмами, которые прикреплены к жесткой подложке длинным черенком. Комбинированное действие движения ресничек с периодическим удлинением и укорочением черенка создает хаотический вихрь. Это приводит к хаотическому поведению окружающей текучей среды при фильтрации.

Вышеуказанные рассуждения иллюстрируют тот факт, что реснички можно использовать для транспортировки и/или смешивания текучей среды в микроканалах. Уже много лет механизмами движения ресничек и течения интересуются и зоологи, и механики, специализирующиеся в области текучих сред. Мах одиночной реснички можно разделить на две фазы: т.е. первый, рабочий такт (кривые 1-3 на фиг.2), когда ресничка сообщает жидкости движение в нужном направлении, и такт возврата (кривые 4-7 на фиг.2), когда ресничка стремится минимизировать свое влияние на движение генерируемое движением текучей среды. В природе движение текучей среды обуславливается высокими концентрациями ресничек в рядах вдоль и поперек поверхности организма. Движения соседних ресничек происходят не в фазе, и это явление называется метахронизмом. Таким образом, движение ресничек проявляет себя как волна, проходящая по организму. На фиг.3 представлена такая волна 8 ресничек, демонстрируя их взаимодействие в метахронной волне. Модель, которая описывает движение текучей среды за счет ресничек, опубликована Дж. Блейком (J.Blake) в статье "A model for the micro-structure in ciliated organisms", J.Flud. Mech. («Модель микроструктуры в реснитчатых организмах», Журнал механики текучих сред), 55, стр.1-23 (1972). В этой статье описан тот факт, что влияние ресничек на течение текучих сред моделируется путем представления ресничек как совокупности стоксовых барьеров вдоль их центральной линии, которые можно наблюдать как точечные силы внутри текучей среды. Движение стоксовых барьеров во времени заранее задано, так что можно рассчитать получаемый поток текучей среды. Можно рассчитать не только поток, обуславливаемый одиночной ресничкой, но и поток, обуславливаемый совокупностью ресничек, покрывающих одиночную стенку, в предположении расположенного поверх них бесконечного слоя текучей среды, движущегося в соответствии с метахронной волной.

Подход, посредством которого находит применение предпочтительный аспект настоящего изобретения, заключается в имитации подобных проводимым ресничками манипуляциям с текучей средой в микроканалах за счет покрытия стенок микроканалов «искусственными ресничками» на основе микроскопических полимерных исполнительных элементов, т.е. полимерных структур, изменяющих свою форму и/или размер в ответ на некоторое внешнее стимулирующее воздействие. Поэтому в одном аспекте изобретения предложено гидравлическое проточное устройство, такое как насос, имеющий средства для искусственной цилиарной метахронной активности. В нижеследующем описании микроскопические исполнительные элементы, такие как полимерные исполнительные элементы, могут также именоваться исполнительными механизмами, например полимерными исполнительными механизмами или микрополимерными исполнительными механизмами, исполнительными элементами, микрополимерными исполнительными элементами или полимерными исполнительными элементами. Следует также отметить, что при употреблении любых из этих терминов в дальнейшем описании всегда имеются в виду одни и те же микроскопические исполнительные элементы, соответствующие изобретению. Например, микрополимерные исполнительные элементы или полимерные исполнительные механизмы могут быть приведены в движение по отдельности или по группам любым подходящим внешним стимулирующим воздействием. Этим внешним стимулирующим воздействием может быть, например, электрическое поле, например, такое, которое создается током, электромагнитное излучение, например, такое, как видимый свет, ультрафиолетовый свет и инфракрасный свет, магнитное поле, изменение температуры, особый вид химических веществ, изменение pH или любое другое подходящее средство.

В соответствии с изобретением можно использовать исполнительные элементы, выполненные из материалов, которые могут реагировать на изменения температуры и ультрафиолетовый свет, воду, молекулы, электростатическое поле, магнитное поле, электрическое поле. Подходящие материалы можно найти в вышеупомянутой книге Бар-Коэна. Основная идея изобретения, базирующаяся на манипуляциях с текучими средами в мелких масштабах посредством искусственных ресничек, не зависит от материала, из которого выполнено исполнительное средство. Вместе с тем, например, для биомедицинских приложений могут оказаться предпочтительными средства, основанные на световом и магнитном принципе действия исполнительных элементов, если учесть возможные взаимодействия со сложными биологическими текучими средами, могущие происходить при использовании других материалов для формирования исполнительных элементов.

В описании основное внимание будет уделено магнитному принципу действия исполнительных элементов. Однако следует понять, что в соответствии с настоящим изобретением можно также использовать другие стимулирующие воздействия. Например, это могут быть электрические стимулирующие воздействия, изменения температуры, свет, и т.д. Примером полимерного материала, который можно использовать для формирования исполнительных элементов, подвергающихся электрическому стимулирующему воздействию, может быть сегнетоэлектрический полимер, а именно поливинилиденхлорид (ПВДХ). Вообще говоря, все подходящие полимеры с малым коэффициентом упругой деформации и большой диэлектрической проницаемостью можно использовать для внесения большой деформации в исполнительные элементы, подвергая их воздействию электрического поля. Другими подходящими полимерами могут быть материалы типа композитов «иономерный полимер металл» (КИПМ) или, например, перфторсульфонат и перфторкарбонат. Иллюстрация работы таких исполнительных элементов из перфторсульфоната и перфторкарбоната показана на фиг.14. Примерами полимерных материалов, побуждаемых к движению температурой, могут быть полимеры, обладающие памятью формы (ПОПФ), которые представляют собой полимерные гели, реагирующие на тепло.

На фиг.4 и 5 показан пример полимерного исполнительного элемента 30 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В левой части на фиг.4 представлен исполнительный элемент 30, который реагирует на внешне стимулирующее воздействие, например электрическое либо магнитное поле или иное воздействие, изгибаясь вверх и вниз. В правой части на фиг.4 изображено поперечное сечение в направлении, перпендикулярном внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33, который покрыт исполнительными элементами 30. Исполнительные элементы 30 в правой части фиг.4 могут реагировать на внешнее стимулирующее воздействие, изгибаясь слева направо. Полимерный исполнительный элемент 30 содержит полимерную микроэлектромеханическую систему или полимерную МЭМС 31 и крепежное средство 32 для крепления полимерной МЭМС 31 к микроканалу 33 микрофлюидальной системы. Крепежное средство 32 может быть расположено на первой оконечности полимерной МЭМС 31.

Крепежное средство 32 сохраняется. Свободностоящий элемент (крепящийся к средству 32) получают с зазором снизу, который имеет размер изначально присутствующего удаляемого слоя и может быть получен, например, посредством стандартной обработки, предложенной фирмой Microsystems.

Полимерная МЭМС 31 может иметь форму балки. Однако изобретение не ограничивается МЭМС, имеющей форму балки, и полимерный исполнительный элемент 30 может также содержать полимерные МЭМС 31, имеющие другие подходящие формы, предпочтительно - продолговатые формы, например форму стержня.

Далее будет описан вариант осуществления, поясняющий, как можно сформировать исполнительный элемент 30, крепящийся к микроканалу 33, в соответствии с изобретением.

Исполнительные элементы 30 можно крепить к внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33 различными возможными способами. Первый способ заключается в креплении исполнительных элементов 30 к внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33 посредством осаждения, например центрифугированием, испарением или другим подходящим методом осаждения слоя материала, из которого будут сформированы исполнительные элементы 30 на удаляемом слое. Следовательно, сначала можно осадить удаляемый слой на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33. Удаляемый слой может состоять, например, из металла (например, алюминия), оксида (например, SiO_x), нитрида (например, Si_xNi_y) или полимера. Материал, из которого состоит удаляемый слой, должен быть таким, чтобы его можно было селективно вытравить по отношению к материалу, из которого выполнен исполнительный элемент, и можно было осаждать на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33 на подходящей ее длине. В некоторых вариантах осуществления удаляемый слой можно осаждать, например, по всей площади поверхности внутренней стороны 35 стенки 36 микроканала 33, а в типичном случае эти площади составляют порядка нескольких сантиметров. Однако в других вариантах осуществления удаляемый слой можно осаждать на длине L, эта длина L может быть такой же длиной, как длина исполнительного элемента 30, которая может в типичном случае находиться в диапазоне от 10 до 100 мкм. В зависимости от используемого материала удаляемый слой может иметь толщину в диапазоне между 0,1 и 10 мкм.

На следующем этапе поверх удаляемого слоя на одну сторону удаляемого слоя осаждают слой полимерного материала, который потом образует полимерную МЭМС 31. После этого удаляемый слой можно удалить путем травления удаляемого слоя под полимерной МЭМС 31. Таким образом, можно высвободить полимерный слой с внутренней стороны 35 стенки 36 микроканала 33 на длине L (фиг.4), причем эта часть образует полимерную МЭМС 31. Часть полимерного слоя, которая остается прикрепленной к внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33, образует крепежное средство 32 для крепления полимерной МЭМС к микроканалу 33, конкретнее к внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33.

Другой способ формирования исполнительного элемента 30 в соответствии с настоящим изобретением может заключаться в использовании энергоемких прикладных средств получения поверхностей с рисунком на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33 перед нанесением полимерного материала. В этом случае на внутренней стороне 35 стенки 36 микроканала 33, где будут крепиться исполнительные элементы 30, формируют рисунок таким образом, что получаются области с разными поверхно