微流体阀、制造方法及其用途

引起本申请的项目获得了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助，资助协议号为第829010号。

技术领域

本发明属于微流体领域。更具体地，本发明涉及微流体致动器的新技术，所述微流体致动器优选为阀，当受到外部刺激时，例如光强度、温度、pH、湿度或电磁场等变化，所述微流体致动器具有机械和功能响应。

背景技术

微流体装置，也称为微流体芯片，能够精确处理少量流体样品，促进可靠、快速、准确和高通量的分析测定。微流体技术的进步对生物医学领域产生了重大影响，促进了用于药物筛选、生物研究和现场诊断的新工具的发展，且该领域也为个性化医学的进步带来了巨大的希望。除了在健康领域，在其他需要快速和经济高效的分析工具的领域，微流体技术也是一项至关重要的技术，例如环境污染的监测和控制、生物风险检测或食品工业等。因此，微流体市场有望在未来五年内继续以19％的复合年增长率(CAGR)增长(预计2021年为90亿欧元)。

为了控制所述芯片内的流体流动或者为了对所述流动执行分析任务，大多数当今的微流体装置需要大型且昂贵的设置在芯片外的辅助设备。这意味着微流体平台的成本很高，通常超过20，000欧元，并且通常，其操作只能由高度熟练的人员执行(参见，例如，J.terSchiphorst等人，Lab Chip(2018)18,699)。尽管不同的现有解决方案已经尝试在实验室水平将所有这些元件集成到芯片本身中，但是这些器件固有的小尺寸和复杂性、以及在其中处理不同类型材料的困难，使得在单个器件中集成所有需要的功能仅在实验室规模上可行。这暂时排除了利用当前技术开发独立的微流体装置，这些微流体装置在工业上是可行的和可销售的。

关于迄今为止开发的微流体装置的机械响应，它们执行某些操作的能力有限，例如，通过使用阀门打开或关闭通道，或者通过使用泵产生受控的流体流动。由于这个原因，这些操作大多使用外部辅助元件，且是在微流体芯片本身之外进行的。在属于现有技术的在先技术中，通过使用电渗透或压电泵、以及执行某些功能的刺激-敏感水凝胶，类似于外部激活的阀，已经测试了将有活性泵和阀集成到微流体芯片中。然而，微流体装置固有的小尺寸和复杂性、以及在该领域中使用的材料类型的高度多样性(在该领域中，与已知的泵和阀的兼容性并不总是可能的)、以及以它们的最终形式实现它们所需的加工技术的复杂性，使得将所有功能元件集成到单个整体且紧凑的装置中是困难的，固有成本高，且简而言之，对于大规模工业生产是不可行的。所有这些限制阻止了微流体技术的进一步市场渗透，并限制了能够将微流体技术带到新阶段的新的创新装置的发展。

本发明旨在解决上述问题，允许制造新的微流体装置，该装置能够响应于外部刺激(例如温度、光、pH或其他物理化学性质)的施加而执行芯片的不同机械功能特征。以这种方式，所述微流体装置可以被远程控制并动态操作。

发明内容

为了解决上述限制和问题，本发明提出使用液晶网络或弹性体(LCN或LCE)对某些外部刺激(光、温度等)的机械响应能力。所述LCN和LCE可以从经历聚合物链交联过程的液晶聚合物(LCP)获得。后一种材料可以通过添加层制造技术以受控的方式应用，并且一旦交联，就能产生LCN或LCE，从而允许有活性微流体阀的配置具有对物理化学量值的变化的机械响应能力，所述物理化学量值例如是光照、湿度、pH、温度或电磁场等。因此，所述机械响应允许调节微流体装置中的流体流动，例如以阀的形式，随时间推移以可变的方式调节或驱动更大回路或系统中的所述流体。在本文中，在本发明的解释范围内，LCPs的加色打印工艺及其转化为具有所述功能特性的LCEs或LCNs将被称为“4D打印”工艺(考虑到它们随时间的响应能力，这被认为是第四维)。

虽然LCEs和LCNs的4D打印方法的使用在一般水平上已经是已知的(因此，它不是本发明的目的)，但是根据本文要求保护的特征，在之前没有描述其在微流体阀制造中的具体应用，其中在特定的、固定的几何排列下打印所述LCPs，产生交联的聚合物系统LCE或LCN，并且允许微流体装置中所述阀的有效驱动的配置。在这种意义上，作为所选打印工艺的结果，实现了打印材料的局部各向异性，使得所述LCPs的长聚合物链在针的移动方向上取向，从而限定了细丝在用作基底的其它材料上沉积的期间的方向，导致产生于所述LCP链的交联的所述LCE或LCN形态的精确控制，这允许随后执行所需的微流体流动调节功能。一旦配置为阀的形式，由外部刺激如温度、光等引起的交联LCPs的分子顺序的减少导致材料沿其主方向中聚合物链介晶单元的优选方向收缩，以及沿其正交方向膨胀。作为这种行为的结果，可以通过适当选择材料(根据其性质是否需要通过物理化学参数和其他参数来调节)和打印装置来调节所述阀的功能，所述打印装置允许在空间和时间上获得期望的行为。通常，某些LCNs或LCEs相对于外部变化的机械响应特性在现有技术中是已知的，因此该机械响应特性不是本发明目的的一部分。同样，本文要求保护的是微流体阀形式的配置及其具体实施例。同样，尽管术语LCP在本文中用于指本发明范围内使用的油墨，但所述术语的解释不仅包括液晶的聚合物链，还包括液晶单体及其组合，以及通常任何由于其组分的优选取向而在沉积时获得各向异性的材料。

因此，本发明的主要目的涉及一种用于制造微流体阀的方法，该方法包括执行以下步骤：

-设置基底，所述基底配置所述阀的结构部分，其中所述基底包括至少一种机械惰性材料，所述机械惰性材料随时间推移对一种或多种物理化学性质具有机械惰性；

-通过添加层制造来打印至少一种机械响应材料，所述机械响应材料随着时间推移对一种或多种所述物理化学性质具有机械响应性，其中所述性质可以在打印之前和打印期间或打印之后获得。所述材料包括至少一种LCP，且所述材料打印为一系列的一条或多条细丝，所述一系列的细丝配置了所述阀的功能部分。

有利的是，所述制造方法包括附加步骤，所述附加步骤为：通过在所述细丝和所述基底的一个或多个界面上施加防粘附处理，将所述机械响应材料的所述一系列的细丝设置在机械惰性材料的所述基底上。以这种方式，所述基底和所述一系列的细丝至少部分地配置通过所述阀的流体流速，其中所述机械响应材料的所述一系列的细丝以所述流速设置，使得一个或多个物理化学参数的变化引起所述LCP的分子顺序的破坏，沿着所述细丝的纵向或横向收缩或扩张其聚合物链，并导致所述流体流速的增加或减少。上述实施例的解释应理解为同样包括所述机械响应材料直接打印在所述基底上的情况，所述基底形成为所述阀结构的一部分，类似于所述机械响应材料临时打印在第一基底(作为制造支撑)上并随后转移或连接到第二基底上的情况，所述第二基底形成为所述阀结构的一部分。

结果，利用本发明的技术获得的所述阀允许对施加到所述流速的力的大小和方向建立精确的编程，并且允许调节通过微流体系统的所述流体流循环，所述流速由所述基底和所述机械响应材料配置。因此，有可能以可逆和明确的方式在空间和时间上精确地控制所得到的结构。在这种意义上，通过内部结构和所产生的力的精确设计(这可以通过所描述的4D打印平台获得)，本发明允许获得复杂的几何形状和功能，所述几何形状和功能是目前可用的LCP处理技术不能获得的。除了拉伸或弯曲之外，本发明还允许产生其他更复杂的功能，例如孔的打开或者甚至所述阀的所述功能部分的旋转，从而为已知的液晶(LC)致动器的技术提供了形状变换的新的可能性和功能。如果提供合适的材料，用合适的功能或分子开关制备，LCP 4D打印的概念可以潜在地扩展到温度和光，以及大范围的外部刺激，例如电场和磁场、pH或湿度等等。此外，这些致动器可以直接在其他基底或设备上制造，也可以在大的表面上制造，这使得所提出的技术更接近工业生产。特别地，作为优选实施例，所述打印方法允许将3D打印的机械响应LCP元件与微流体中常用的惰性材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)整合，且允许制备可适应的复合装置，其中所述阀的所述功能部分变形并突出，充当例如透镜。如上所述，PDMS是生物和医学微流体装置中的关键材料，因此本发明的用于LCP材料的4D打印方法代表了产生动态可调系统(例如微流体泵或阀)的有希望的机会，所述系统可以集成在根据下述具体实施例的微流体装置中。

在这种意义上，在本发明所述方法的优选实施例中，所述机械响应材料的所述一系列的细丝以所述流体流速设置成多个基本平行的细丝，形成矩形或正方形表面。

在所述方法的另一个优选实施例中，所述机械响应材料的所述一系列的细丝以所述流体流速设置，采用基本上呈平面的径向分布，其中每条细丝从其余细丝共有的中心区域开始排列。

在所述方法的另一个优选实施例中，从一条或多条细丝共有的中心区域开始，所述机械响应材料的所述一系列的细丝以所述流体流速设置成方位角分布，或者近似地，设置成基本上呈平面的螺旋分布，这在实践中更容易实现。

在所述方法的另一个优选实施例中，所述方法包括修改表面以促进组成元件之间粘附的附加步骤。这种修改可以包括例如将相应的表面暴露于由紫外(UV)辐射、氧等离子体或其他气体产生的臭氧中。同样，可以在所述机械响应材料的至少一部分和所述基底之间施加偶联剂。更优选地，所述偶联剂是有机-无机混合偶联剂(hybrid organic-inorganic coupling agent)(例如氨基硅烷、巯基硅烷或环氧硅烷)。

在所述方法的另一个优选实施例中，所述防粘附处理包括：

-向LCP中添加具有抗粘附能力的化学试剂，优选一种或多种氟化改性剂或长链脂族硅烷，例如壬基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、辛基三氯硅烷、氟代正辛基三氯硅烷或氟代正辛基三甲氧基硅烷；和/或

-在机械惰性材料的所述基底与所述一系列的细丝的接触表面上引入微粗糙度(micro-roughness)；和/或

-使用表面能低于40mJ/m

-在机械惰性材料的所述基底上和/或在所述一系列的细丝上施加防粘附层；和/或

-所述一系列的细丝相对于所述基底空间分离。

在所述方法的另一个优选实施例中，所述方法包括在打印所述机械响应材料之后附加设置一层或多层机械惰性材料，从而配置所述阀的所述结构部分的一个或多个附加元件。任选地，所述方法可包括在机械惰性材料的一层或多层附加层上施加防粘附处理的步骤，以防止所述层与基底和/或所述一系列的细丝之间的不可逆粘合。

在所述方法的另一个优选实施例中，所述方法包括在完成所述机械响应材料的打印之后应用固化处理的步骤。更优选地，所述固化步骤选择性地在所述阀的某些区域中执行，和/或在所述区域上施加连续的多次固化操作。

在所述方法的另一个优选实施例中，所述机械响应材料的所述一系列的细丝的打印以三维形状进行，更优选地，以遵循径向分布的圆锥形状进行。以这种方式，当通过外部因素(温度、光等)刺激所述一系列的细丝时，所述一系列的细丝朝着较小高度和较宽底部的锥体改变其形状，从而允许实现例如反向作用或常闭的阀；即在没有外部刺激的情况下阻止所述流体流动，否则所述流体是可以流动的。

本发明的第二个目的涉及一种通过微流体装置用于调节流体流量的阀，所述阀有利地按照根据本文描述的任何实施例的方法制造。

在本发明所述阀的优选实施例中，所述机械响应性材料至少一种主链LCP与一种或多种光引发剂的混合物，所述主链LCP在所述链的末端具有反应性丙烯酸酯基团。

在本发明所述阀的另一个优选实施例中，一旦交联并形成所述LCE或LCN，则所述LCP表现出对光照、温度、湿度、pH或电磁场变化的机械响应。更优选地，所述LCE或LCN表现出对光(光化学和光热)的机械响应。光活性功能的引入主要可以通过两种不同的策略来实现。一方面，第一种策略是基于光致异构化单元的并入，例如偶氮苯、吡喃、二芳基乙烯或轮烷，当在它们的吸收带中照射时，它们在反式态和顺式态之间发生异构化，所述反式态具有拉长的形状，因此有利于CL有序，所述顺式态具有弯曲的形状，并扰乱所述CL有序。通过光产生顺式异构体扰乱了液晶的有序性，并破坏了系统的机械性能。另一方面，第二种策略是基于分子或具有吸收性的纳米物体的结合。当在它们的吸收带中照射时，它们都非常有效地释放热量，所述热量传递到它们并入其中的材料处，在本例中是所述LCE，以这种方式产生机械致动。也可以使用能够吸收特定波长的光并将光能有效转化为热量的吸收性发色团，例如二苯甲酮、罗丹明、芪、香豆素或苯并三唑。

在本发明所述阀的另一个优选实施例中，所述基底包括PDMS或环烯烃聚合物结构。

在本发明所述阀的另一个优选实施例中，所述阀的所述结构部分包括：

-一个或多个防粘附开口，所述一个或多个防粘附开口设置在所述阀的所述结构部分和所述功能部分的所述机械响应材料之间；和/或

-微粗糙度，所述微粗糙度设置在所述阀的所述结构部分和所述功能部分的所述机械响应材料之间；和/或

-机械惰性材料，所述机械惰性材料的表面能低于40mJ/m2；和/或

-防粘附层。

本发明的第三个目的涉及一种蠕动泵，所述蠕动泵包括至少一个根据本文所述的任一实施例的阀，所述阀与被动限流元件结合配置；或者根据本文描述的任一实施例配置为两个或更多个阀的连续布置。

本发明的第四个目的涉及一种微流体系统，所述微流体系统包括与所述阀的致动器结合的根据本文描述的任一实施例的阀，其中所述致动器包括适于调节物理化学性质的装置，形成所述阀的所述功能部分的所述机械响应材料对所述物理化学性质敏感。

本发明的第五个目的涉及微流体阀、蠕动泵或根据本文描述的任何实施例的系统的用途，所述用途应用于体外生物医学分析、药物筛选分析、体外生物学研究、环境污染的监测和控制、生物风险检测、食品分析、或在芯片上的器官的装置制造中。所述芯片上的器官装置提供了生理学相关的仿生模型，所述仿生模型允许更好地理解组织和器官的特定功能和反应，以及因此对药物治疗的反应或某些病理的进展，以这种方式有助于开发用于进行新的生理学研究、药物开发和筛选、毒理学和个性化医学的新工具。

在本发明系统的优选实施例中，用于调节所述物理化学性质的装置包括光照子系统、温度调节子系统、湿度调节子系统、pH调节子系统或电磁场调节子系统。

在本发明的范围内，表述“机械响应”应解释为一种材料的性质，所述材料的分子结构响应于外部施加的一种或多种物理化学量而随时间被破坏，所述物理化学量例如光照、温度、湿度、pH或电磁场等。同样，在本发明的范围内，所述性质是可逆的，即如果所施加的物理化学量返回到先前的状态，或者在其它条件下施加，或者与其它物理化学量或刺激结合，有可能使所述材料的所述分子结构返回到其原始状态。在涉及获得微流体阀的本发明的优选实施例中，所述机械响应特性应解释为修改所述阀的所述功能部分的结构的能力，以使所述阀能够驱动或调节微流体装置或系统中的所述流体流动。

在本发明的范围内，“随时间推移的机械惰性”的表述应解释为材料中随时间推移基本上没有机械反应性。

在本发明的范围内，表述“基本上”应解释为相同或包含在±10％的范围内。

在本发明的范围内，表述“所述阀的结构部分”应解释为配置所述阀的形状和总体结构的部分，该部分由机械惰性材料形成，所述机械惰性材料在一个或多个物理化学参数变化的情况下不会发生可逆的实质性形状变化。

在本发明的范围内，表述“所述阀的功能部分”应解释为配置所述阀的可移动和致动元件的部分，该部分由机械响应材料形成，所述机械响应材料在一个或多个物理化学参数变化的情况下发生可逆的实质形状变化。

在本发明的范围内，表述“防粘附处理”应解释为防止以下物质之间完全或部分不可逆粘附的处理：

-所述机械响应材料的所述一系列的细丝和机械惰性材料的所述基底；和/或

-所述机械响应材料的所述一系列的细丝和机械惰性材料的一层或多层所述附加层；和/或

-机械惰性材料的所述基底和机械惰性材料的一层或多层所述附加层；和/或

-机械惰性材料的两层或多层附加层。

根据这种解释，下列例子也应理解为包括在这种解释的范围内：

-向LCP中添加具有抗粘附能力的化学试剂；

-在机械惰性材料的所述基底与所述一系列的细丝和/或机械惰性材料一层或多层所述附加层的接触表面上引入微粗糙度；

-在机械惰性材料的一层或多层所述附加层中引入微粗糙度；

-使用具有低表面能的材料来制造所述基底、所述一系列的细丝和/或机械惰性材料的一层或多层所述附加层，其中“具有低表面能的材料”应理解为表面能低于40mJ/m

-在所述基底、所述一系列的细丝和/或机械惰性材料的一层或多层所述附加层上施加防粘附层；

-相对于所述基底和/或机械惰性材料的一层或多层所述附加层，所述一系列的细丝在空间上分离，或任何旨在限制或防止它们粘附到所述基底和/或一个或多个所述附加层的其它布置(例如，将所述接触表面设置成彼此成角度而不是彼此平行)。

附图说明

图1示出了根据本发明优选实施例的微流体阀的示例。

图2a-2c示出了根据本发明的三个优选实施例的机械响应材料的二维打印图案的三个例子，所述机械响应材料可用于制造本发明的微流体阀。

图3示出了根据本发明优选实施例的微流体阀的一般操作原理的示例。

图4示出了根据本发明优选实施例的微流体阀的示例，所述微流体阀实现为反向作用阀。

图5a示出了用于制造本发明的微流体阀的机械响应材料的三维打印图案的示例；图5b示出了其优选实施例，所述微流体阀实施为反向作用阀。

图6示出了根据本发明的微流体阀的顺序排列，所述微流体阀配置为蠕动泵，所述蠕动泵的级可以用不同波长的光辐射激活。

图7a-7b分别示出了根据本发明的阀和蠕动泵的例子，其中所述基底包括用作防粘附装置的开口。

附图的参考编号

(1)机械惰性材料的基底。

(2)具有机械响应的材料的细丝。

(3)流体流速。

(4)机械响应材料的细丝的中心打印区域。

(5)机械惰性材料的附加层。

(6)光。

(7)防粘附开口。

具体实施方式

如在前面的部分中所描述的，以及在本文的图1-7所示的例子中，制造微流体阀的方法基本上包括至少以下步骤：

-设置基底(1)，基底(1)配置了阀的结构部分，其中基底(1)包括至少一种机械惰性材料，机械惰性材料随时间推移对一种或多种物理化学性质具有机械惰性。

-通过添加层制造来打印机械响应材料的一系列的一条或多条细丝(2)，机械响应材料随着时间推移对一种或多种物理化学性质具有机械响应性，其中机械响应材料包括至少一种LCP，并且其中一系列的细丝(2)配置了阀的功能部分。

-通过在细丝(2)和基底(1)的一个或多个界面上施加防粘附处理，将机械响应材料的一系列的细丝(2)设置在机械惰性材料的基底(1)上。

如图1所示，基底(1)和机械响应材料的一系列的细丝(2)至少部分地配置通过阀的流体流速(3)。同样地，机械响应材料的一系列的细丝(2)以流体流速(3)设置，使得一个或多个物理化学参数的变化(例如，通过在给定频率范围内的光照)导致LCP的分子顺序的破坏，分别沿着细丝(2)的纵向或横向收缩或膨胀材料，并导致流体流速(3)的增加或减少。

因此，如图3所示，图1所示的流速(3)的配置采用通道形状，并且可以配置成弯曲的通道几何形状，该通道几何形状根据致动状态下的致动器进行调节，或者可以使用平面上部作用在通道上，根据阀的状态(未致动或致动)打开或关闭通道。这种配置也是有利的，因为功能部分与结构部分的相对壁接触的区域是局部的，当机械响应材料返回到其初始状态(未致动)时，这有利于其随后的分离。

用于打印一系列的细丝(2)的机械响应材料的刚度，以及所得LCE或LCN片材的厚度和平面(纵向和/或横向)尺寸之间的比率，影响阀的功能部分的变形程度。这些参数的过度增加会减少变形，对阀门性能产生负面影响。优选地，一系列的细丝(2)包括LCPs，当打印时，该LCPs产生具有MPa数量级的杨氏模量的LCE型交联聚合物系统或具有GPa数量级的杨氏模量的LCN型交联聚合物系统。所得LCE或LCN片材的纵向和/或横向尺寸通常在1-20mm之间，其厚度在50-1500μm之间。

基底(1)和一系列的细丝(2)之间的粘附在阀的性能中也起着关键作用，如果所述粘附是不可逆的，甚至能抵消阀的功能。尽管液体的存在确实会降低某些表面之间的粘附力，但是仍然已知液体中表面之间的粘附力会随着接触时间的增加而显著增加。后一种情况是当液体从基底(1)和一系列的细丝(2)之间的接触区域排出时发生的。为此，关键是通过应用防粘附处理来防止或控制这种粘附。优选地，所述防粘附处理包括：

-向LCP添加具有抗粘附能力的化学试剂，优选一种或多种氟化改性剂或长链脂族硅烷，包括例如壬基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、辛基三氯硅烷、氟代辛基三氯硅烷或氟代正辛基三甲氧基硅烷；和/或

-在机械惰性材料的基底(1)与一系列的细丝(2)的接触表面上引入微粗糙度(例如，通过使用玻璃或金属作为机械惰性材料进行喷砂)，优选具有微米量级的均方粗糙度或轮廓的均方偏差，因为在这些条件下，已知弹性体和刚性表面之间的粘附力会显著降低[Fuller等人.Proc.R.Soc.Lond.A 1975 345,327-342]；和/或

-使用表面能低于40mJ/m

-在机械惰性材料的基底(1)上和/或在一系列的细丝(2)上施加防粘附层，优选包括一种或多种含氟聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)；和/或

-一系列的细丝(2)相对于基底(1)空间分离。

以这种方式，通过降低由于阀的功能部分和结构部分之间的摩擦而产生的粘附力的可能性，显著降低了粘附力，这降低了由于一个部分可能固定到另一个部分而导致其失效的风险。然而，在没有基底(1)和一系列的细丝(2)之间的这些粘合问题的那些装置中，可以不应用所述处理。

为了合适地驱动本发明的阀，有必要使用油墨形式的机械响应材料，根据上述性质，其流变性在打印和任选的固化后导致具有受控形态的LCP细丝(2)。为此，所述油墨优选包括主链LCP与少量光引发剂的混合物，该主链LCP在链的末端具有反应性丙烯酸酯基团。同样，机械响应性液晶聚合物优选包含并入其主链中的吸收分子单元，该吸收分子单元或者是光响应性的(例如偶氮苯、吡喃等)、在吸收扰乱液晶有序性的光时经历构象变化，或者将吸收的光转化为热的吸收分子也扰乱液晶有序。另一种可能性是在LCP油墨中引入这些单元作为额外的单体，该单体随后结合到聚合物结构上。该聚合物主要通过迈克尔加成法获得，制备具有反应性单元的介晶二丙烯酸酯的混合物，然后将该混合物与正丁胺以接近1的摩尔比混合，过量的二丙烯酸酯确保通过迈克尔加成反应形成具有末端丙烯酸酯基团的聚合物链，该末端丙烯酸酯基团随后可以在通过光聚合进行的第二步中反应。胺-丙烯酸酯化学反应用作示例，但是也可以使用其他反应来形成反应链，例如硫醇-丙烯酸酯、胺-环氧树脂等，能导致同样的效果。由此制备的油墨通常具有粘弹性行为，其中通过简单地从聚合物材料打印它们、产生良好取向的纤维、且介晶单体在打印方向上排列，容易形成细而长的细丝(2)。其他可能性还包括使用光化学或光热材料，例如含有将光转化为热的纳米粒子或分子的墨水。在其不同的优选实施例中，磁热效应也可以用于本发明的范围内。

阀的基底(1)优选包括一种或多种生物相容性材料，例如选自微流体应用中常用的材料，如PDMS或环烯烃聚合物结构。

图2a-2c示出了机械响应材料的细丝(2)所采用的配置的三个例子，用于制造本发明不同优选实施方案的阀。在这种意义上，图2a示出了机械响应材料的一系列的细丝(2)，该一系列的细丝排列成多个基本平行的线，形成矩形或正方形表面。这种配置是例如图1的阀所采用的。在另一个实施例中(图2b)，机械响应材料的一系列的细丝(2)设置为采用基本上呈平面的径向分布，其中每条细丝(2)从其余细丝(2)共有的中心区域(4)开始。在另一个实施例中(图2c)，从一条或多条细丝(2)共有的中心区域(4)开始，机械响应材料的一系列的细丝(2)以上述流体流速(3)设置成方位角分布，和近似地在连续路径上设置成基本上呈平面的螺旋分布。

机械应力复合致动器的一个潜在问题是所用的一种或多种材料的分层。为了促进阀的功能部分与结构部分的粘合(在需要的那些点或区域)，可以将特定的化学物质应用于后者。例如，将相应的表面暴露于由紫外线(UV)辐射、氧等离子体或其它气体产生的臭氧中，或者用丙烯酸酯基油墨的混合有机-无机偶联剂处理，例如3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三氯硅烷、3-巯基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。这会产生共价结合到表面的反应性物质，当该反应性物质光固化时，这些反应性物质随后可以用作丙烯酸酯油墨的键，以增加所述油墨的结合强度。

在本发明的其他实施例中，制造方法还可以包括在打印具有机械响应的一系列的细丝(2)之后附加设置机械惰性材料的一个或多个层(5)，从而配置阀的结构部分的一个或多个附加元件。任选地，所述方法可以包括在一个或多个机械惰性材料的附加层(5)上施加防粘附处理的步骤，以防止层(5)之间、层(5)与基底(1)之间和/或与一系列的细丝(2)之间的不可逆粘合。

在本发明的其他实施例中，制造方法还可以包括施加固化处理的步骤，该步骤优选地在完成打印机械响应材料的细丝(2)之后。所述固化步骤可以选择性地在阀的某些区域上进行，其中可以选择性地在所述区域上进行连续的多次固化操作。本发明的方法还允许打印细丝(2)，所述细丝(2)在固化之前变形(例如，由于外部机械作用)。对于某些复杂的阀门或致动器设计，这种可能性很有意义。在其他实施例中，本发明的方法还允许打印细丝(2)的多稳定结构，使得细丝(2)在每次固化中获得不同的变形。

作为本发明优选实施例的一个例子，关于光敏阀(6)，可以使用其上打印有LCP细丝(2)的PDMS基板(1)。LCP-PDMS复合系统可以通过将LCP材料3D打印到PDMS上来制造，后者以薄膜、芯片或先前制造的芯片前体部件的形式配置。可以添加并固化额外的PDMS材料，以完成制造芯片的过程。3D打印的LCP元件也可以嵌入PDMS内或其下侧。例如，可以3D打印机械光响应材料(6)的细丝，以在通道的薄PDMS膜基底的顶部上产生膜，该膜的LCP指向矢取向平行于PDMS嵌段中通道方向(如图1所示)。考虑到光(6)在垂直于LCP指向矢的方向上引起的膨胀，活性LCP元件上的光照导致所述膜沿着垂直于所述通道的方向膨胀。根据本发明的目的，如果所述膜限制在两个足够厚的固定壁之间，则带会弯曲，以阻塞通过通道的流体流动，因此起到阀的作用。

在本发明的另一个优选实施例中，如图4所示的实施例所示，非驱动阀关闭通道。光驱动(6)打开阀门，允许液体流动，因此配置了反向作用的阀门设计。

作为打印具有基本扁平结构(如图1-4所示)的一系列的细丝(2)的替代方案，也可以打印具有三维形状的所述细丝(2)，优选如图5a所示的具有遵循径向分布的圆锥形。以这种方式，当一系列的细丝(2)受到外部因素(温度、光等)的刺激时，所述一系列的细丝(2)的形状修改成较小高度和较宽底部的锥形，以允许实现如图5b所示的反向作用阀。在没有外部刺激的情况下，这种类型的阀阻止流体流动，否则流体是可以流动的。

在本发明的其他优选实施例中，可以用所提出的方法制造更复杂的致动器。例如，可以配置一系列的两个或多个单独定位的阀型元件，以形成如图6所示的蠕动泵。在所述实施例中，通过用三个光束分别照射它们中的每一个，功能部分的机械响应材料可以独立地激励。或者，通过用对不同波长(例如，在所述图中的红色(R)、绿色(G)和红外(IR))敏感的材料、和/或由不同的光(6)驱动的每个阀，能够制造功能部分的机械响应材料。由此提供了对每个阀的独立控制，通过合适的发光事件顺序，促进了以流速(3)进行的蠕动运动的实现。因此，具有合适强度和顺序的光(6)的照射导致流体的单向流动。在本发明的其他实施例中，有可能将蠕动泵配置为根据本文描述的任何实施例的一个或多个阀和被动限流元件的组合。

图7a-7b中所示的其它实施例描述了一种阀的设计，其中鉴于使用使平行表面之间的接触最小化的几何形状减少了它们之间的粘连，所述阀的结构部分(以及优选地，其基底(1))包括一个或多个开口(7)，所述开口(7)用作防粘附装置。

最后，本发明的另一个目的涉及一种微流体系统，该系统包括与所述阀的致动器结合的如本文所述的阀，其中所述致动器包括适于调节物理化学性质的装置，包括所述阀的功能部分的机械响应材料对该物理化学性质敏感。所述致动器的例子可以是：

光：可以通过使用诸如LEDs或激光器的光源来施加光，这些光源可以优选形成控制微流体芯片的外部设备的一部分。

温度：芯片可以包含靠近LCE/LCN的电阻元件，使得当施加电流时，散发热量，且驱动阀门。在这种情况下，芯片可以具有连接到外部控制模块的接触电极。或者，芯片可以在LCE附近并入一个吸光片，该吸光片能够将光辐射转化为LCE中的热量并激活它。

电气：通过在LCE/LCN和相邻的片材中加入添加剂，为诸如碳纳米管、碳黑等材料提供电阻率，可以通过施加电流来加热LCE/LCN，从而驱动所述系统。

湿度或pH值：为此目的，结合了氢键的材料均用于LCE/LCN和相邻的片材中。应用具有合适pH值的溶液会削弱这些键，从而改变机械性能。

磁热：通过在LCE/LCN和相邻片材中加入添加剂，为诸如如铁纳米粒子的材料提供磁热特性，可以通过施加磁场来加热LCE/LCN，从而驱动所述系统。