用于剪切敏感流体的微流体歧管.pdf

本发明提供微流体装置。具有被构造成输送血液的第一歧管通道、第二歧管通道和第三歧管通道的歧管可结合至限定出人造脉管的基底。第一歧管通道可构造成沿第一方向运送血液。第二歧管通道和第三歧管通道中的每个均可在第一结点处结合至第一歧管通道，并可构造成从第一歧管通道接收血液。第二歧管通道可构造成沿离开第一方向的第二方向运送血液。第三歧管通道可构造成沿离开第二方向的第三方向运送血液。第一通道、第二通道和第三通道可以是非共面的。

1.一种微流体装置，包括：歧管，其具有第一歧管通道、第二歧管通道和第三歧管通道，结合至限定出人造脉管的基底，其中：所述第一歧管通道构造成沿第一方向运送血液；所述第二歧管通道和所述第三歧管通道中的每一个均在第一结点处结合至所述第一歧管通道，并构造成从所述第一歧管通道接收血液，使得通过所述第二歧管通道和所述第三歧管通道的总血液流量与通过所述第一歧管通道的血液流量基本相等；所述第二歧管通道构造成沿离开所述第一方向的第二方向运送血液；所述第三歧管通道构造成沿离开所述第一方向的第三方向运送血液；所述第一歧管通道、所述第二歧管通道和所述第三歧管通道是不共面的。 2.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，结点处的壁由希克斯-亨纳冲击函数、非均匀理性基础样条、三次样条、T样条、点云和多项式函数中的一种所限定。 3.根据权利要求1所述的微流体装置，其中：所述第一歧管通道进一步构造成以第一壁剪切速率运送血液；所述第二歧管通道进一步构造成以低于所述第一壁剪切速率的第二壁剪切速率运送血液；以及所述第三歧管通道进一步构造成以低于所述第一壁剪切速率的第三壁剪切速率运送血液。 4.根据权利要求3所述的微流体装置，其中，所述第一结点构造成确保通过所述结点的壁剪切速率梯度保持在被选择成能够维持血液健康的阈值以下。 5.根据权利要求4所述的微流体装置，其中，所述阈值为约每微米0.0006倒数秒。 6.根据权利要求3所述的微流体装置，其中，所述第一歧管通道构造成以约4500倒数秒至约10,000倒数秒的范围内的壁剪切速率运输血液。 7.根据权利要求3所述的微流体装置，其中，所述第二歧管通道和所述第三歧管通道中的至少一个构造成以约100倒数秒至约800倒数秒的范围内的壁剪切速率运输血液。 8.根据权利要求3所述的微流体装置，其中，所述第一壁剪切速率被选择为能够产生足以推出歧管中血块的驱动力。 9.根据权利要求1所述的微流体装置，还包括第四歧管通道和第五歧管通道，其中：所述第四歧管通道和所述第五歧管通道中的每个在第二结点处结合到所述第二歧管通道，且构造成从所述第二歧管通道接收血液，使得通过所述第四歧管通道和所述第五歧管通道的总血液流量与通过第二歧管通道的血液流量基本相等；所述第四歧管通道构造成沿离开所述第二方向的第四方向运送血液；所述第五歧管通道构造成沿离开所述第二方向的第五方向运送血液；以及所述第二歧管通道、所述第四歧管通道和所述第五歧管通道是非共面的。 10.根据权利要求9所述的微流体装置，其中：所述第四歧管通道进一步构造成以低于所述第二壁剪切速率的第四壁剪切速率运送血液；以及所述第五歧管通道构造成以低于所述第二壁剪切速率的第五壁剪切速率运送血液。 11.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，第一通道、第二通道和第三通道中的至少一个进一步包括过渡区域，其构造成改变由被输送穿过所述至少一个通道的血液所经历的壁剪切速率，使得所述过渡区域上游的血液所经历的壁剪切速率高于所述过渡区域下游的血液所经历的壁剪切速率。 12.根据权利要求11所述的微流体装置，其中，所述过渡区域包括由希克斯-亨纳冲击函数、非均匀理性基础样条、三次样条、T样条、点云和多项式函数中的一种所限定的侧壁。 13.根据权利要求11所述的微流体装置，其中，所述至少一个通道的在所述过渡区域上游的横截面积大于所述至少一个通道的在所述过渡区域下游的横截面积。 14.根据权利要求11所述的微流体装置，其中，所述过渡区域的长度被选择成能实现在所述过渡区域中的期望的壁剪切速率梯度。 15.根据权利要求14所述的微流体装置，其中，所述过渡区域的长度与所述过渡区域中的壁剪切速率梯度成反比。 16.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述歧管进一步包括第六歧管通道和第七歧管通道，它们在第三结点会聚以形成第八歧管通道，使得通过第八通道的血液流量与通过第六歧管通道和第七歧管通道的总血液流量基本相同；所述第六通道构造成以第六壁剪切速率运送血液；所述第七通道构造成以第七壁剪切速率运送血液；以及所述第八通道构造成以低于所述第六壁剪切速率和所述第七壁剪切速率的第八壁剪切速率运送血液。 17.一种制造微流体装置的方法，该方法包括：为歧管的第一部分提供第一模具，所述第一部分包括具有入口和出口并构造成沿第一方向运送流体的主通道；将聚合物材料注入所述第一模具以形成所述歧管的第一部分；为所述歧管的第二部分提供第二模具，所述第二部分包括多个二级通道，每个所述二级通道具有入口和出口，其中每个所述二级通道的入口结合至第一结点；将聚合物材料注入所述第二模具以形成所述歧管的第二部分；为所述歧管的第三部分提供第三模具，所述第三部分包括多个三级通道，每个所述三级通道具有入口和出口，其中每个所述三级通道的入口结合至第二结点；将聚合物材料注入所述第三模具以形成所述歧管的第三部分；将所述歧管的第一部分融合到所述歧管的第二部分，使得所述主通道的出口在所述第一结点处结合至所述多个二级通道中的每个的入口，其中所述主通道和所述多个二级通道是非共面的；将所述歧管的第二部分融合到所述歧管的第三部分，使得第一个二级通道的出口在所述第二结点处结合至所述多个三级通道中的每个的入口，其中所述第一个二级通道和所述多个三级通道是非共面的。 18.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述第一结点和所述第二结点处将所述歧管的内表面抛光。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年2月17日提交的、标题为“用于剪切敏感流体的微流体歧管”的美国临时专利申请号61/940,577的优先权，其在此通过引用整体并入本文。

背景技术

用于处理血液的微流体医疗装置可用于向患者的血液中引入氧气或从中清除不希望的微粒。这些微流体装置可以包括被联结到处理通道的血液分配歧管。该装置的处理通道可以不是全部位于单个平面内。血液到非共面处理通道的分配可以通过压力囊实现。然而，压力囊通常需要大的灌注量且不具有控制流向各个管道的流体分布的能力。替代地，也可以使用一系列歧管，每个歧管具有多个位于一个平面内的分配通道，但是单一平面歧管不能将血液分配至非共面的处理通道。

发明内容

本发明的多个方面和实施方式涉及将流体分配至微流体装置的非共面处理通道的系统和方法。

至少一个方面涉及微流体装置。微流体装置可包括歧管。歧管可包括第一歧管通道、第二歧管通道和第三歧管通道，其结合至限定出人造脉管的基底。第一歧管通道可被构造成沿第一方向运送血液。第二歧管通道和第三歧管通道中的每个可在一个第一结点处结合到所述第一歧管通道，且可以被构造成从所述第一歧管通道接收血液，使得通过第二歧管通道和第三歧管通道的总血液流量与通过第一歧管通道的血液流量基本相等。第二歧管通道可构造成沿离开第一方向的第二方向运送血液。第三歧管通道可以构造成沿离开第一方向的第三方向运送血液。第一歧管通道、第二歧管通道和第三歧管通道可以是非共面的。

在一些实施方式中，结点处的壁由希克斯-亨纳冲击函数、非均匀理性基础样条、三次样条、T样条、点云和多项式函数中的一种所限定。在一些实施方式中，第一歧管通道进一步构造成以第一壁剪切速率运送血液。在一些实施方式中，第二歧管通道进一步构造成以低于第一壁剪切速率的第二壁剪切速率运送血液。在一些实施方式中，第三歧管通道进一步构造成以低于第一壁剪切速率的第三壁剪切速率运送血液。

在一些实施方式中，第一结点构造成确保通过该连接点的壁剪切速率梯度保持在被选择成能维持血液健康的阈值之下。该阈值可以是约每微米0.0006倒数秒。在一些实施方式中，第一歧管通道构造成以约4500倒数秒至约10,000倒数秒范围内的壁剪切速率输送血液。在一些实施方式中，第二歧管通道和第三歧管通道中的至少一个构造成以约100倒数秒至约800倒数秒范围内的壁剪切速率输送血液。在一些实施方式中，第一壁剪切速率被选择为足以产生推出歧管中的血块的驱动力。

在一些实施方式中，该装置包括第四歧管通道和第五歧管通道。第四歧管通道和第五歧管通道中的每个可在第二结点处结合到所述第二歧管通道，且可以构造成从所述第二歧管通道接收血液，使得通过第四歧管通道和第五歧管通道的总血液流量与通过第二歧管通道的血液流量基本相等。第四歧管通道可构造成沿离开第二方向的第四方向运送血液。第五歧管通道可构造成沿离开第二方向的第五方向运送血液。第二歧管通道、第四歧管通道和第五歧管通道可以是非共面的。

在一些实施方式中，第四歧管通道可构造成以低于第二壁剪切速率的第四壁剪切速率运送血液。第五歧管通道可构造成以低于第二壁剪切速率的第五壁剪切速率运送血液。

在一些实施方式中，第一通道、第二通道和第三通道中的至少一个包括过渡区域，其构造成改变由被输送穿过所述至少一个通道的血液所经历的壁剪切速率，使得过渡区域上游的血液所经历的壁剪切速率高于过渡区域下游的血液所经历的壁剪切速率。过渡区域可包括由希克斯-亨纳冲击函数、非均匀理性基础样条、三次样条、T样条、点云和多项式函数中的一种所限定的侧壁。过渡区域上游的所述至少一个通道的横截面积可大于过渡区域下游的所述至少一个通道的横截面积。过渡区域的长度可以被选择以实现在过渡区域中的期望的壁剪切速率梯度。在一些实施方式中，过渡区域的长度与过渡区域中的壁剪切速率梯度成反比。

在一些实施方式中，歧管进一步包括会聚在第三结点以形成第八歧管通道的第六歧管通道和第七歧管通道，使得通过第八通道的血液流量与通过第六歧管通道和第七歧管通道的总的血液流量基本上相同。第六通道可构造成以第六壁剪切速率运送血液。第七通道可构造成以第七壁剪切速率运送血液。第八通道可构造成以低于第六壁剪切速率和第七壁剪切速率的第八壁剪切速率运送血液。

至少一个方面涉及制造微流体装置的方法。该方法包括为歧管的第一部分提供第一模具。第一部分可包括具有入口和出口并构造成沿第一方向运送流体的主通道。该方法包括将聚合物材料注入第一模具以形成歧管的第一部分。该方法包括为所述歧管的第二部分提供第二模具。第二部分可包括多个二级通道。每个二级通道可具有入口和出口。每个二级通道的入口可结合至第一结点。该方法包括将聚合物材料注入第二模具以形成歧管的第二部分。该方法包括为歧管的第三部分提供第三模具。第三部分可以包括多个三级通道。每个三级通道可具有入口和出口。每个三级通道的入口可结合至第二结点。该方法包括将聚合物材料注入所述第三模具以形成歧管的第三部分。该方法包括将歧管的第一部分融合到所述歧管的第二部分，使得主通道的出口在第一结点处结合至多个二级通道中的每一个二级通道的入口，主通道和多个二级通道是非共面的。该方法包括将歧管的第二部分融合到所述歧管的第三部分，使得第一个二级通道的出口在第二结点处结合至多个三级通道中的每一个三级通道的入口，第一个二级通道和多个三级通道是非共面的。在一些实施方式中，该方法包括在第一结点和第二结点处将歧管的内表面抛光。

附图说明

附图不一定按比例绘制。各附图中相同的附图标记和命名指代相同的元件。为了清楚的目的，各附图中不是每个部件都有标记。

图1是根据说明性实施方式的微流体装置的剖视图；

图2A是根据说明性实施方式的三维微流体歧管的视图；

图2B是根据说明性实施方式的结合至血液过滤装置的图2A的三维微流体歧管的局部视图；

图3A是根据说明性实施方式的可用于控制壁剪切速率梯度的微流体通道的局部视图；

图3B是各示例性微流体通道的沿长度方向的剪切速率的曲线图；

图4A是根据说明性实施方式的形成三维微流体歧管过程的流程图；

图4B是通过图4A所示过程形成的微流体歧管的几个示例性部分的视图；

图4C是根据说明性实施方式的通过图4A所示的过程形成的三维微流体歧管的视图。

具体实施方式

以下是对于将流体引导至微流体装置的非共面处理通道的系统和方法的各种构思和实施方式的更详细描述。上面介绍并且在下面更详细地讨论的各种构思可以用许多方式中的任何一种来实现，因为所描述的构思不局限于任何特定的实施方式。提供具体实施方式和应用场合的实例主要是为了说明的目的。

图1是根据说明性实施方式的微流体装置100的剖视图。该装置100包括三个层106a至106c(统称为层106)，其限定出流体通道102a至102e(统称为流体通道102)和气体通道104a至104d(统称为气体通道104)。通道的顶壁、底壁和侧壁由可渗透材料制成，以促成气体交换。

在一些实施方式中，装置100可用于促成气体与流体交换。微流体装置100可用在期望将气体输送至流体或从流体中输送出气体的医疗应用或工业应用中。例如，微流体装置100可用在肺辅助装置中，其通过将氧气输送至血液而弥补患者体内受损的肺的功能。如箭头所示，在通道102和104中，流体和气体沿平行方向流动。装置100构造成使得每个层106内的通道以流体通道102和气体通道104交替。此外，层106被布置成使得不同层中的相邻通道交替运送流体和气体。这种构型使流体通道102与气体通道104通过通道壁相交接的表面积最大化。

通道壁可渗透气体，使得沿着气体通道104流动的气体可以穿过至相邻的流体通道102。将任一气体通道104与相邻流体通道102分开的气体可渗透材料的厚度可被最小化，使得气体可穿过气体可渗透材料并进入流体室102中的流体内。通过该装置，流体通道102的特征，如高度、宽度、长度和形状可以被优化，以最大限度将气体输送至流体和/或最大限度从流体中输出气体，并且还为流体如血液的传输提供维持健康流体流动特性。

流体和气体可通过相应的歧管被引入到流体通道102和气体通道104。流体通道102和气体通道104横向于装置100的前平面，但并非所有的流体通道102和气体通道104都是共面的。因此，用于将流体引入流体通道102和将气体引入气体通道104的歧管构造成沿非共面的导管运送流体。在一些流体对包括压力或壁剪切速率在内的力学参数的变化敏感的实施方式中，例如当血液被运送穿过流体通道102时，此时流体歧管也被构造成将流体保持在剪切速率的安全范围内。用于将气体引入到气体通道的歧管可以具有不同的要求，因为在装置100有关的大多数应用中气体通常没有剪切敏感性。

图2A根据是根据说明性实施方式的三维微流体歧管200的视图。歧管200包括主通道202、二级通道204a至204d(统称为二级通道204)和三级通道如三级通道206a至206d(统称为三级通道206)。在一些实施方式中，歧管200可以与图1所示的微流体装置100结合使用。例如，歧管200可以将流体、如血液输送至图1所示的流体通道102中。图2A示出歧管200中的每个通道的实体视图。在一些实施方式中，歧管200包括限定出空心通道的实体结构，所述空心通道对应于图2A所示的通道。这种歧管和制造该歧管的过程视图在下面结合图4A至4C进一步描述。

在一些实施方式中，一定量的流体例如通过将流体从储器中抽出的泵进入主通道202。当流体穿过主通道202，其在结点208处被再引导至二级通道204。每个二级通道204被构造成沿远离主通道202的方向运送流体。另外，二级通道204是非共面的。换言之，歧管200构造成使得三个二级通道204的任何组合均被布置成沿不位于单个平面内的方向运送流体。歧管200因而在第一结点208处在三维空间中分支。

同样地，通过二级通道204a行进的流体在结点210处被再引导至三级通道206a至206d。每个三级通道206被构造成沿远离二级通道204的方向运动流体，且三级通道206是非共面的。二级通道204b至204d也各自包括结点，在此二级通道204各自分支为三级通道206。

歧管200仅仅是说明性的。例如，在一些实施方式中，歧管200可以包括更多或更少的二级通道204。二级通道204可以被布置成或不被布置成围绕由主通道202限定的轴线径向对称。在一些实施方式中，二级通道204可以被构造成均匀分割来自主通道202的流体，使得每个二级通道204从主通道202接收等量或大致等量的流体。在其它实施方式中，二级通道204可被构造成接收流过结点208的流体的不相等部分。由各二级通道204接收的流体比例可通过改变各二级通道204的相对尺寸来控制。例如，具有较大直径的二级通道204相比于具有较小直径的二级通道204可接收更大比例的流体。

同样地，示出在图2A中的三级通道206的构型也是说明性的，且其它构型也是可能的。例如，结点210可包括更多或更少的三级通道206，且三级通道206可以构造成沿远离第二通道204a的各种方向运送流体。在一些实施方式中，歧管还可以包括其它特征，如在位于三级通道206的出口处结点形成的四级通道。

在一些实施方式中，歧管200可以被构造成将壁剪切速率保持在对于特殊应用场合中使用的流体来说安全的范围内。例如，歧管200可被构造成将壁剪切速率保持在约100至约10,000倒数秒的范围内。壁剪切速率梯度也可以被控制，以防止剪切速率突然变化对血液健康造成影响。例如，在一些实施方式中，歧管被构造成输送血液，使得整个歧管200的剪切速率梯度保持小于约每微米0.0006倒数秒。

在一些实施方式中，主通道202、二级通道204、三级通道206以及结点208和210可被构造成控制通过歧管200输送的流体的其它力学参数。例如，歧管200可以被构造成在整个歧管200保持基本层流，以限制细胞破裂、减少炎症和凝血、限制血块的形成，并防止血液的其它损伤。歧管200可以被构造成模仿人的脉管。例如，二级通道204可以具有比主通道202更小的直径，且三级通道206可以具有比二级通道204更小的直径。在一些实施方式中，单个通道的直径可以沿着通道的长度逐渐变细。在一个例子中，主通道202和二级通道204的液力直径按照默里定律选择，它为选择网络中的通道半径以平衡循环流体(如血液)所需的能量和支持流体代谢所需的能量提供了技术。通常，默里定律表明，对于具有半径rp的主通道和具有半径rb1、rb2等的分支通道来说，所有通道的半径之间的关系应该是：默里定律也可以用来选择网络中具有非圆形截面的主通道和分支通道的液力直径之间的关系。例如，对于具有液力直径dp的主通道和具有液力直径db1、db2等的分支通道来说，默里定律表明所有通道的液力直径之间的关系应该是：

默里定律也可以被用来选择二级通道204从主通道202分支出的角度，以及三级通道206从二级通道204分支出的角度，以减少使流体经过歧管200进行循环所需的工作。例如，分支通道的角度可以根据下列方程组来选择：

其中，rp是主通道202的半径，从主通道202分支出来的二级通道204具有半径rb1、rb2，x是具有半径rb1的第一个二级通道204从主通道202分支出的角度，y是具有半径rb2的第二个二级通道204从主通道202分支出的角度。应当理解的是，这些方程也可用于选择从二级通道204分支的三级通道206的尺寸和角度，例如通过将rp替换为二级通道204的半径，并将rb1、rb2替换为三级通道206的半径。在一些实施方式中，每个通道的锥度可部分地根据歧管中的通道所采用的分支角度来选择。可以选择主通道202、二级通道204和三级通道206的各种横截面形状，包括三角形、矩形、梯形或任何其它规则或不规则的多边形形状。在一些实施方式中，主通道202、二级通道204和三级通道206可以具有包括圆滑或弯曲边缘的横截面形状。例如，主通道202、二级通道204和三级通道206可以具有圆形、半圆形或椭圆形形状。在一些实施方式中，主通道202、二级通道204和三级通道206的形状可以被限定为具有曲线形壁的锥形筒的中间部分。在一些实施方式中，歧管可包括从一种横截面形状到不同的横截面形状的过渡。可包括在歧管200中的附加特征以下将结合图4A至4B进一步描述。

如上所述，歧管200可与图1的装置100一起使用以实现肺辅助装置。氧气通过气体通道104输送，同时血液通过流体通道102(通过歧管200)输送，血液被通过通道壁扩散的氧气所氧化。在一些实施方式中，歧管200可结合到装置(如图1的装置100)阵列，整个阵列用于实现单肺辅助装置。例如，三级通道206a至206d可结合至装置100的一个实例。从二级通道204b延伸的三级通道可结合至装置100的第二个实例，从二级通道204c延伸的三级通道可结合到装置100的第三个实例，从二级通道204d延伸的三级通道可结合到装置100的第四个实例。如果装置100的阵列呈线性排列，这种布置方式可有助于避免出现过长路径。在一些实施方式中，从主通道202穿过每个三级通道206的路径长度可以被选择为至少是实现全面扩展的流体流所需的最小长度。作为一个整体的歧管200尺寸可以根据歧管200结合的装置、例如装置100的尺寸来选择。例如，歧管200的高度可约等于装置100中的层106的高度与装置中的层106数量的乘积。同样地，歧管200的整体宽度可约等于装置100的通道102的宽度与装置100中各层106内通道102数量的乘积。在一些实施方式中，在歧管200中的每一个通道可具有约50微米至约150微米范围内的直径和约0.5厘米至约1.5厘米范围内的长度。在一些实施方式中，歧管200中的通道可具有约100微米的直径和约1厘米的长度。在一些实施方式中，歧管可以具有矩形轮廓。在其它实施方式中，歧管可具有不同的轮廓形状，如三角形或其它多边形形状。

图2B是根据说明性实施方式的结合至血液过滤装置的图2A的三维微流体歧管的局部视图。示出的装置200的部分包括二级通道204a和三级通道206a至206d。该装置200以横截面示出，使得二级通道204a和三级通道206a-206d沿基本上进入它们被绘制的页面的方向输送流体。血液过滤装置包括四个通道双层214a-214d(统称为通道双层214)。每个通道双层214包括各自的血液基底层216a-216d(统称为血液基底层216)和各自的滤液基底层218a-218d(统称为滤液基底层218)，它们被相应的可渗透膜220a至220d(统称为膜220)分隔开。三级通道206a至206d分别联结到血液基底层216a至216d。每个三级通道206a至206d构造成将血液引入各血液基底层216a至216d内的血流通道网络。在一些实施方式中，一个或多个额外的歧管(未示出)可以用来将滤液引入滤液基底层218。

血液基底层216和滤液基底层218内的通道网络将流体(即血液和滤液)分流到众多的通道，使得每股流体的相对较大的表面积暴露于渗透膜220。血液基底层216的每个通道可以与各自的滤液基底层218的相应通道对准，以使相应的通道由各自的渗透膜220隔开。在一些实施方式中，单个滤液通道可以通过渗透膜220从两个或更多个血液通道隔开。随着血液移动通过血液基底层216的通道，滤液可以沿相反方向通过所述滤液基底层218，且废物和水经由扩散和对流穿过渗透膜220进入滤液基底层218从血液中去除。健康的血液保留在血液基底层216中，然后在从血液出口歧管出来后可再循环到患者的身体中(未示出)。在一些实施方式中，血液出口歧管可以是或可包括歧管，如在图2A中所示的歧管200。

如以上所讨论的，歧管200可具有能够促进通过歧管200输送的血液变得健康的特征。结果是，歧管200对于将血液引入血液基底层216是有用的，因为可以在将血液输送到血液基底层200进行过滤之前在歧管200内保持血液健康。虽然图2A仅示出歧管200的一部分，其它部分(例如歧管的其余三级通道)可用于将血液引入到用于从血液中滤除不希望粒子的其它血液基底层中。因为歧管200可通过三级通道206沿非共面的方向输送血液，血液过滤装置的通道双层214可以被排列成具有行和列的阵列，如图2B所示。这种布置形式可减少血液过滤装置的整体尺寸。

图3A是根据说明性实施方式的可用于控制壁剪切速率梯度的微流体通道的局部视图。通道300包括由过渡区域306连接的上游区域302和下游区域304。上游区域302和下游区域304在形状上基本上为圆柱形，下游区域304的直径小于上游区域302的直径。该通道300可以用作图2A所示的歧管200的通道。

在一些实施方式中，通道300可用于控制由通过通道300输送的流体所经历的壁剪切速率。例如，上游区域302中的剪切速率可不同于下游区域304中的剪切速率，因为这两个区域横截面直径不同。上游区域302基本上为圆柱形。因此，横截面形状不沿上游区域的长度而变化，并在沿上游区域302长度分布的所有点处的剪切速率可以保持基本恒定。同样地，下游部分304也基本上是圆柱形，因此，可具有沿其长度基本恒定的剪切速率。过渡区域306可构造成在通道300的上游区域302和下游区域304之间的所有点处保持明确限定的壁剪切速率。因此，剪切速率可以通道300的整个长度来限定。通常，过渡区域306中的剪切速率梯度可与渡区域306的长度成反比。具有较高剪切速率的通道区域可以比具有较低剪切速率的区域具有更小的体积。例如，下游区域304构造成以比上游区域302更高的剪切速率运输血液。为了达到相对较高的剪切速率，下游区域305的横截面积小于上游区域302的横截面积。结果是，下游区域304的给定长度的体积比上游区域302的相同长度的体积小。因此，将通道300构造成在下游部分具有较高的剪切速率可以帮助降低通道300的总体积，同时控制过渡区域306中的剪切速率梯度允许在整个通道300中都能保持血液健康。以下进一步描述在微流体歧管中包括过渡区域、例如过渡区域306的上述和其它的好处。

在一些实施方式中，过渡区域的形状可以由数学函数来定义。合适的函数的例子可以包括但不限于阶数的多项式函数、希克斯-亨纳冲击函数、非均匀理性B样条、立方样条、T样条曲线和贝塞尔曲线。在一些实施方式中，可以使用这种函数的拟合或修正。例如，可以使用函数的外推法或插值法或函数的离散版本。这些修正可有助于这样实例的制造，其中，制造工具不能形成精确对应于所希望函数的形状。

图3A示出了由以下四阶多项式限定的过渡区域306：

f(x)＝0.0045x^4-0.0292x^3–0.0071x^2+1.5

其中上游区域302的半径为1.5毫米，下游区域304的半径为0.5毫米，且该函数定义沿过渡区域306长度的半径。这个特定的多项式仅是说明性的。在其它实施方式中，可以使用不同的系数，或者可以使用较高阶或较低阶的多项式函数。过渡区域306中的壁剪切速率可随过渡区域306的半径而改变。限定过渡区域306形状的函数可以被选择成能实现所需的壁剪切速率梯度。例如，壁剪切速率梯度可保持约每微米0.0006倒数秒的阈值以下以保持血液健康。

改变通道300内不同点处的壁剪切速率可导致当通道300被用于歧管、例如图2A所示的歧管200中时减少灌注体积，该歧管与装置、例如图1所示的装置100相结合。例如，当剪切速率可能需要保持在装置100的流体通道102的特定范围内以促进血液的氧化作用时，在歧管200内维持相同的剪切速率可以不是必要的。在歧管200某些位置增加剪切速率可以导致较低的灌注体积而不降低装置100的性能。使用过渡区域306以控制较高切区域(例如上游区域302)和较低剪切区域(例如下游区域304)之间的剪切速率梯度也可保护血液不发生剪切速率的急剧变化。

在通道300的某些部分中增加剪切速率也可防止血块阻塞通道。例如，将上游部分302构造成以较高的剪切速率输送流体也可导致上游部分302中具有更高的流体压力。在血块能够在通道300中产生堵塞之前，较高的流体压力可以产生驱动力以推开血块。

虽然图3A示出了单个通道300中的过渡区域306，但也可以使用其它类型的过渡区域。例如，在图2A中所示的结点208和210可以构造成控制歧管200中的壁剪切速率梯度。类似于上面讨论的原理可以应用到这些结点。歧管的通道壁的半径可以根据数学函数在结点附近逐渐变细，数学函数被选择以提供所需的壁剪切速率梯度。在其它实施方式中，结点上游的两个或多个通道可以在该节点处合并成单个通道。合并点附近的通道壁的曲率可由函数来限定以控制壁剪切率梯度。

图3B是沿各种微流体通道的长度方向的剪切速率的曲线图350。线360示出代表了图3A的过渡区域中的剪切速率。线370表示由下面的三阶多项式函数限定的过渡区域中的剪切速率：

f(x)＝0.016x^3–0.12x^2+1.5

线380表示由下面的四阶多项式函数限定的过渡区域中的剪切速率：

f(x)＝-0.0033x^4+0.0494x^3–0.2035x^2+1.5。

如图所示，每个过渡区域的剪切速率的特征是在过渡区域的整个长度平滑过渡。所有的过渡区域保持最大1200倒数秒以下的剪切速率，这是对血液健康的剪切速率。

图4A是根据说明性实施例的用于形成三维微流体歧管的过程400的框图。过程400包括为歧管的第一部分提供第一模具(阶段405)。过程400包括将聚合物材料注入第一模具以形成歧管的第一部分(阶段410)。过程400包括为歧管的第二部分提供第二模具(阶段415)。过程400包括将聚合物材料注入第二模具以形成歧管的第二部分(阶段420)。过程400包括为歧管的第三部分提供第三模具(阶段425)。过程400包括将聚合物材料注入第三模具以形成歧管的第三部分(阶段430)。过程400包括将歧管的第一部分融合到歧管的第二部分(阶段435)。过程400包括将歧管的第二部分融合到歧管的第三部分(阶段440)。

图4B是通过图4A所示过程400形成的微流体歧管450的几个示例性部分的视图。歧管450的部分被示为半透明的，使得形成歧管450的通道是可见的。然而，在一些实施方式中，歧管450的部分由不透明材料形成。现在将参照图4B示出的歧管部分对图4A的过程400进行描述。

再次参照图4A，过程400包括为歧管450的第一部分提供第一模具(阶段405)。第一部分可包括具有入口和出口的主通道。主通道可以被构造成沿第一方向运送流体。过程400包括将聚合物材料注入第一模具中以形成歧管450的第一部分(阶段410)。例如，注入到第一模具中的聚合物材料可包括聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、环烯烃共聚物(COC)或其它非可降解的聚合物。在一些实施方式中，聚合物材料可包括添加的制造树脂。歧管450的第一部分被示出为图4B的部分452。第一部分452可以由固体材料如塑料或金属形成，即使用在步骤405中提供的第一模具模制。主通道460被示于图4B。在一些实施方式中，聚合物材料可以是柔性的，以便它可以容易地从所述第一模具中取出。在其它实施方式中，第一模具可以是可溶解的。例如，第一模具可由可溶解蜡或可光溶解的聚合物制成。然后第一模具可在第一部分固化后围绕形成歧管450的第一部分452的已注入聚合物材料溶解。在一些实施方式中，第一部分452也可以包括基准点470，它可以被构造成促成第一部分452与其它模具部分的对准以组装歧管450。

过程400包括为歧管450的第二部分提供第二模具(阶段415)。第二部分可以包括多个二级通道。每个二级通道可各自具有入口和出口。每个二级通道的入口可以结合到第一结点478。在一些实施方式中，二级通道彼此不共面。二级通道在长度和直径上可以相等或不等。在一些实施方式中，二级通道可绕轴对称排列。例如，该轴可与主通道460对准，且二级通道可以被构造成远离主通道输送流体。过程400包括将聚合物材料注入第二模具以形成歧管450的第二部分(阶段420)。第二部分被示出为图4B中的部分454。第二部分454可由固体材料，例如塑料或金属形成。由二级通道462例举的二级通道也示于图4B中。

在一些实施方式中，注射的聚合物材料可以是柔性的，使得第二部分454可以很容易地从第二模具中移除。在其它实施方式中，第二模具可以是可溶解的。例如，第二模具可由可溶解蜡或可光溶解的聚合物制成。然后第二模具可在第二部分454固化后围绕形成歧管450的第二部分454的已注入聚合物材料溶解。在一些实施方式中，第二部分454也可以包括基准点472，它可以被构造成促进第二部分454与其它模具部分的对准以组装歧管。

过程400包括为歧管450的第三部分提供第三模具(阶段425)。第三部分可以包括多个三级通道。每个三级通道可各自具有入口和出口。每个三级通道的入口可以结合到第二结点。在一些实施方式中，三级通道彼此不共面。三级通道在长度和直径上可以相等或不等。在一些实施方式中，三级通道可绕轴对称排列。例如，该轴可与二级通道中的一个、例如二级通道462对准，且三级通道可以被构造成远离二级通道输送流体。过程400包括将聚合物材料注入第三模具以形成歧管450的第三部分(阶段430)。第三部分被示出为图4B中的部分456。该部分456可由固体材料，例如塑料或金属形成。由三级通道462例举的三级通道也示于图4B中。

在一些实施方式中，第三部分456可以被构造成形成三级通道的若干组。每个组可以包括两个或更多个三级通道，它们的入口在单一结点处结合。三级通道的每个相应组可以被构造成结合到一个相应的二级通道。例如，三级通道的一个组，包括三级通道464，具有结合到结点476的入口，如图4B所示。

在一些实施方式中，注射的聚合物材料可以是柔性的，以便它可以容易地从第三模具中取出。在其它实施方式中，第三模具可以是可溶解的。例如，第三模具可以由可溶解蜡或可光溶解的聚合物制成。然后第三模具可在第三部分456固化后围绕形成歧管450的第三部分456的已注入聚合物材料溶解。在一些实施方式中，第三部分456也可以包括基准点474，它可以被构造成促进第三部分456与其它模具部分对准以组装歧管450。

过程400包括将歧管450的第一部分融合到歧管450的第二部分(阶段435)。在一些实施方式中，第一部分452和第二部分454可通过粘合剂融合。在其它实施方式中，第一部分452和第二部分454的相邻表面可以被加热到熔化温度、彼此接触，然后冷却，以使该部分固化后相邻表面保持融合。基准点470可与基准点472互锁以确保歧管450的第一部分454和第二部分454正确对齐。例如，基准点470和472可允许第一部分452和第二部分454融合，使得主通道460的出口在结点478处结合到二级通道的入口。因为二级通道被构造成不共面，二级通道沿远离主通道460方向的多个方向输送流体。

过程400包括将歧管450的第二部分454融合到歧管450的第三部分456(阶段440)。在一些实施方式中，第二部分454和第三部分456可以通过粘合剂融合。在其它实施方式中，第二部分454和第三部分456的相邻表面可以被加热到熔化温度、彼此接触，然后冷却，以使该部分固化后相邻表面保持融合。基准点472可与基准点474互锁以确保歧管450的第二部分454和第三部分456正确对齐。例如，基准点472和474可允许第二部分454和第三部分456融合，使得二级通道462的出口在结点476处结合到包括三级通道464的三级通道组的入口。三级通道是不共面的，因此可以沿远离其所融合至的二级通道462方向的多个方向输送流体。在一些实施方式中，可能存在多组三级通道。每个组可以包括两个或更多个三级通道，它们的入口结合到各自的结点。然后，过程400可以包括融合第二部分454和第三部分456，使得三级通道的每个组均在各自的结点处结合到相应的二级通道。

在一些实施方式中，额外的模具可用于制造附加歧管部分，以延伸歧管450的三级通道。例如，该部分458可以被用于形成由通道466举例说明的多个通道。然后该部分458可以融合到部分456，以便该部分458中的每个通道可结合到所述部分465的相应三级通道以延伸三级通道的长度。在一些实施方式中，在已经融合歧管部分以形成歧管之后，通道相结合的结点可以抛光以使通道的内表面平滑。

图4C是根据说明性实施方式的通过图4A所示的过程形成的微流体歧管的立体视图。歧管450以其完全装配状态示出，具有融合至第二部分454的第一部分452和融合到第三部分456的第二部分454。歧管450还包括融合到第三部分456的第四部分458。

如图所示，主通道460在结点478处结合到二级通道。第三部分456包括四组三级通道。每组三级通道在相应的结点的结合到各自的二级通道。例如，包括三级通道464的一组三级通道在结点476处结合到二级通道462。歧管450的第四部分458包括延伸三级通道长度的通道。例如，通道466延伸三级通道464的长度。在一些实施方式中，微流体歧管450可由其它工艺形成。例如，歧管450可使用增材制造工艺，如3D印刷、立体光刻或者直接金属烧结而形成。

现在已经描述了一些示例性实施方式，很明显的是，上文是说明性的而不是限制性的，以举例的方式给出。特别是，虽然本文呈现的许多实例都涉及方法步骤或系统元件的特定组合，但是这些步骤和这些元件可以其它方式组合以实现相同的目标。仅与一个实施方式结合讨论的步骤、元件和特征并不排除其能在其它实施方式中起到类似作用。

本文描述的系统和方法可以体现为其它特定形式而不背离其特征。前述实施方式是说明性的，而不是对所描述的系统和方法的限制。本文描述的系统和方法的范围因此由所附的权利要求表示，而不是由前文的描述表示，且落入权利要求的等同形式的含义和范围内的改变也包含在内。

本发明要求保护方案。