基于家蚕吐丝现象的仿生微通道模型与制作方法研究

微流体系统是微系统的重要分支，但现有的人工微流体系统存在稳定性差、分辨率低、驱动控制灵敏度不足等难点，而家蚕是经长期演化而成的自然微流体系统，其吐丝过程中表现出良好的微流动特性。.本项目研究基于家蚕吐丝现象的仿生微通道模型与制作方法。观测家蚕丝腺尺寸和形状，建立仿生微通道的结构模型；剖解家蚕体壁肌肉组织，设计仿生微通道的组成单元结构及组装方式；观测家蚕吐丝时丝腺体的收缩运动方式，建立仿生微通道的单元运动模型；检测对比不同时期家蚕丝腺内壁表面和丝素溶液特性，建立仿生微通道表层的物理化学模型；研制仿家蚕丝腺的微通道，采用由刚性支架、活动单元与柔性表层组成的复合结构，刚性支架保持仿生通道的基本尺寸，活动单元产生家蚕丝腺肌肉收缩式运动方式，柔性表层将各活动单元的作用传递给内部流体介质。本项目以家蚕丝腺解析为切入口，研究仿生微通道的模型及制作方法，探索微管道内流动机理和驱动方法研究的可行性。

家蚕丝腺是经长期演化而成的自然微流体系统，家蚕吐丝时丝腺体内丝蛋白溶液流动具有良好的稳定性、分辨率和控制灵敏度等。本项目采用石蜡切片、显微图像采集与处理、模型重构与优化、准静态轴向拉伸、扫描电镜检测和玻璃材料软化成形等手段，进行了家蚕丝腺模型、力学特性及其仿生微通道制作工艺研究：（1）构建了家蚕丝腺数字化模型，展示了各部位结构、形貌与功能特征，内壁微观表层由4-8μm宽的突起和1μm宽的沟槽相间排布而成。（2）测量了家蚕丝腺体与内部丝蛋白溶液力学特性，二者准静态轴向拉伸具有优异的超弹性力学特性，且丝蛋白溶液的更好；丝蛋白溶液是一种假塑性非牛顿流体，剪切黏度很小，具有较强的间距依赖性。（3）建立并优化了仿家蚕丝腺微通道模型，截面形状呈规整圆形，具有输运通道、反应室、储液池等功能单元，尺寸在多尺度内连续变化，具有自然界生物微小通道特征。（4）基于玻璃软化成型工艺，提出了玻璃基仿生微通道制作工艺，通过拉伸细化和软化吹制等操作，形成均匀的圆直通道和规整的功能单元体，具有一定柔性，为立体微通道网络成形奠定基础。