摘要
近年来，随着组织工程和精密加工技术领域的迅速发展，以微流控芯片技术为核心的器官芯片正成为生物医学中极具特色的新兴领域。通常将微泵与器官芯片相连，构建循环的动态体外模型，以真实地模拟体内的生理环境。这要求微型驱动泵结构简单、易集成且不会对细胞造成损伤。压电驱动型微泵结构简单、响应迅速、能量密度大，但是目前有阀压电泵的工作频率较高，且阀片多采用硬质材料制成，容易损伤流经阀体的活体细胞，从而难以实现活体细胞培养液的输送，并限制了有阀压电泵在器官芯片领域的应用。为了使有阀压电泵满足输送活体细胞培养液的需求，本文首先根据心脏主动脉瓣和静脉瓣膜的工作原理，提出了柔性瓣膜阀压电泵。随后，建立了基于动网格的电-固-液多物理场耦合模型，分析了柔性瓣膜阀压电泵内压电振子的振动特性、柔性瓣膜阀的动态特性和内流场的瞬态流动特性。最后，通过柔性阀的截止性能试验、压电泵的输出性能试验、粘度介质输送试验和细胞培养液输送试验等，系统研究了柔性瓣膜阀压电泵的工作特性和应用效果，为压电泵进行活体细胞的传输应用提供了设计参考，拓展了压电泵的应用领域。本文的主要的研究内容如下： 1.阐述了本文研究的学术背景与实际意义，概述了有阀压电泵的结构设计与应用的国内外研究现状，评述了有阀压电泵中各种集成阀的适用性和局限性，提出了尚需进一步研究的问题。 2.针对目前有阀压电泵在活体细胞传输方面的局限性，提出了柔性瓣膜阀压电泵，丰富了有阀压电泵的结构类型。建立了柔性瓣膜阀压电泵的简化动力学模型，阐明了柔性阀各参数与压电泵输出性能间的关系。 3.基于动网格的电-固-液多物理场耦合模拟，建立了柔性三瓣阀压电泵的有限元模型，系统分析了压电泵内压电振子的振动特性、柔性三瓣阀的动态特性和内流场的瞬态流动特性。同时，通过柔性三瓣阀的截止性能试验、柔性三瓣阀压电泵的输出性能试验和不同粘度介质的输送试验，分析了柔性三瓣阀压电泵的整体输出性能，并验证了有限元模型的准确性。 4.对柔性三瓣阀压电泵进行微小化结构设计，并利用多物理场耦合数值模拟，分析了振子的振动特性、柔性二瓣阀的动态特性和内部流场的瞬态流动特性；通过阀的截止性能试验、泵输出性能试验和不同粘度介质输送试验表明，微型化后的柔性二瓣阀压电泵的流量更大，频带更宽，证明了柔性瓣膜阀压电泵微小化设计的有效性。 5.进行了柔性瓣膜阀压电泵的酵母细胞培养液传输试验，通过比对传输前后细胞的存活率表明，柔性瓣膜阀压电泵在传输酵母细胞培养液时保持了较高的细胞存活率，并验证了柔性二瓣阀压电泵对于细胞培养液的输送性能和应用效果，拓展了有阀压电泵的应用领域。
NETL