北京
引言：长期稳定的药物输注对于慢性疾病的治疗至关重要。当给药导管的内径缩小到微观尺度（<100 μm）时，瞬态的压力波动极易引发药液回流、管路堵塞和交叉污染。在人体血液微循环中，利用柔性的静脉瓣膜巧妙地抑制这种不稳定性。然而，在具有极大长径比的人工微导管中，制造类似的机械活动瓣膜面临加工、对准和可靠性方面的挑战。
针对这一问题，上海交通大学的马卓晨副教授与韩冰副教授等人通过飞秒激光在微型毛细管端面直接加工三维微结构，无需活动部件实现了液体二极管效应（liquid-diode behavior），从而实现稳定的单向药物输运。相关研究成果以“On-Tip Laser Integration of 3D Liquid-Diode Microvalves for Disturbance-resilient Drug Infusion”为题，近期发表于《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊。论文第一作者为上海交通大学生物医学工程学院在读博士李璐奇。
研究亮点：
1.视觉辅助同轴对准策略：突破极高长径比原位加工瓶颈
自由悬垂的微导管在加工过程中容易产生极微小的形变，导致微阀门结构与导管内壁无法完美同轴，进而引发局部曝光不均并削弱界面结合力。研究团队开发了基于同心衍射环的轴向对准算法（CAAA），在激光直写过程中原位计算毛细管轴线并进行补偿，实现复杂微结构在极细毛细管尖端的同轴集成。
图1：视觉辅助同轴对准策略
2.几何编码的微型阀门：无活动部件的“液态二极管”
研究团队在毛细管端面构建了一种三维特斯拉微阀结构。与传统机械阀不同，该结构无需任何活动部件，而是通过几何结构诱导流体能量耗散差异，从而实现单向流动调控。在正向流动时，液体沿主通道顺畅通过，流阻较小；而在反向流动时，流体会进入侧腔并形成局部涡旋结构，导致能量大量耗散，从而显著提高反向流阻。
图2：特斯拉微阀正反向流动示意及流场模拟
3.长期植入应用场景探索：出色的生物相容性
研究团队用长期的细胞共培养实验证明，集成微型阀门的导管支持肝癌细胞（HepG2）的正常增殖，具备极佳的生物相容性。并且微型阀门结构本身充当了物理屏障，防止了外部细胞向内生长和管腔污染，在静止和管内液体低速流动条件下均保持了微通道的通畅。
图3：集成微阀的微导管生物相容性和抗堵塞性能
结语：相比传统依赖机械部件或外部驱动的微阀结构，本研究提出的飞秒激光端面集成三维特斯拉微阀，通过结构设计、无需复杂装配实现了稳定的单向流体输运，为微型医疗器械赋能提供了一种全新的解决思路。该方法不仅能够在极端细长结构端面实现复杂微结构制造，还为未来植入式药物输运系统、微流控芯片以及精准医疗器械的发展提供了重要技术基础。未来，这种结构编码的微流体调控策略有望在微型医疗设备、长期药物输运以及生物医学工程领域展现出广阔的应用前景。
参考文献：10.1088/2631-7990/ae8591
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。
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