パッシブマイクロミキサーの最適化: ピラーの構成と隙間が混合効率に与える影響

化学バイオ反応は、多くのマイクロフルイディクデバイスにおいて重要な役割を果たしており、バイオメディカルサイエンスにおけるその応用は大きな成長を見せています。多くの応用において生化学反応を開始するためには効果的な混合が不可欠であるため、マイクロミキサーは高スループットアッセイでますます一般的になっています。本研究では、フィニットエレメント法を用いた数値研究を行い、ピラーの配列を特徴とする新しいマイクロミキサーにおける流体の流れと質量移動特性を調査しました。研究では二次元幾何学が使用されました。混合性能に対するピラー構成の影響を、濃度分布と混合指数を主要な指標として評価しました。研究は、混合性能と圧力損失に対するピラー配列デザインの影響を探求し、収縮-膨張や分割-再結合といった原則から引き出しています。傾斜配列と矢じり型の二つのピラー配列の構成が紹介され、それぞれピラー直径、ピラーグループ間の隙間の大きさ、ピラー間の距離、ピラーグループの垂直シフトなどのパラメータに関して調査されています。その後、最適なマイクロミキサーが特定され、中程度のレイノルズ数（Re = 1）で99.7％を超える混合効率を示しましたが、これはマイクロミキサーが高い混合効率を達成するのが通常困難なレベルです。特に、圧力損失は1102 Paと低く保たれています。さらに、チャンネル内の異なる位置での混合指数の時間的変化も調査されています。両方の構成が短い混合長と混合時間を示しています。入口から4300 μmの距離で、傾斜配列と矢じり型の構成は、それぞれ97.2％と98.9％の混合指数を示しました。マイクロミキサーは、8秒以内にチャンネルの端で99.5％の混合指数を提供することができました。加えて、両方の構成は3秒以内に90％を超える混合指数を達成しました。迅速な混合、低い圧力損失、短い混合長の組み合わせにより、この新しいマイクロミキサーはマイクロフルイディク応用に非常に有望なものとなっています。