多機能ファイバー中に「ねじれた」三次元マイクロ流路 ―高効率な液体混合を実現、多領域への応用に期待―

2026-09-01 東北大学

東北大学、沖縄科学技術大学院大学、フランスINSA Lyonの研究チームは、回転型熱延伸技術を利用し、多機能ポリマーファイバー内部に「ねじれ型」の三次元マイクロ流路を連続的に形成する技術を開発した。マイクロ流路では層流のため液体が混ざりにくいという課題があるが、今回の構造では「ねじれ」による旋回流と「螺旋」による遠心力由来のディーン渦を発生させ、液体の混合を促進する。開発したファイバーマイクロミキサーは、75%以上の高い混合効率と低い圧力損失を両立し、数値シミュレーションと実験の双方で性能を確認した。従来困難だった三次元マイクロ流路を連続製造でき、流路以外の電極やセンサーなどの機能もファイバー内に統合できるため、生命科学、化学、材料工学、医療診断などへの応用が期待される。

多機能ファイバー中に「ねじれた」三次元マイクロ流路 ―高効率な液体混合を実現、多領域への応用に期待―
図1. 熱延伸技術により、「ねじれ型」のマイクロ流路を備えたポリマー製ファイバーを製造した。
A)延伸中に回転を加えることで、ねじれパターンを生成する。
B)マイクロ流路は製造誤差が小さい。また、ファイバーは高い伸縮性を持つ。
C)「ねじれ」により旋回流が、「螺旋」によりディーン渦が発生する。

<関連情報>

回転熱延伸によるポリマー繊維中のプログラム可能なねじれマイクロチャネルによるマイクロミキシングの強化 Programmable Twisted Microchannels in Polymer Fibers via Rotational Thermal Drawing for Enhanced Micromixing

Shunsuke Kato;Danessia Zan;To-En Hsu;Ricardo Arturo Lopez de la Cruz;Tomoki Saizaki;Jérôme Adrien;Eric Maire;Amy Q. Shen;Yuanyuan Guo
ACS Applied Materials & Interfaces  Published:August 31, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsami.6c06952

Abstract

Micromixers are essential components of microfluidic systems, enabling rapid and homogeneous mixing at microliter and submicroliter scales. Although three-dimensional (3D) microchannel geometries can significantly enhance mixing performance, their broader adoption has been limited by fabrication challenges that restrict geometric control, scalability, and system integration. Here, we report an in-fiber twisted micromixer, termed the Fiber-μMixer, fabricated by rotational thermal drawing (rTDP). By introducing controlled rotation and revolution during drawing, this method enables scalable fabrication of microchannels with centered and off-centered geometries, feature sizes down to 100 μm, and twist pitches as small as 4 mm. The resulting twisted and helical channel architectures enhance microscale mixing through the combined effects of swirl-induced advection and Dean-vortex-driven secondary flows. Numerical simulations and experiments demonstrate strong mixing performance across a range of Reynolds numbers, with mixing efficiencies exceeding 75% and negligible pressure penalty in the intermediate regime (1 ≤ Re ≤ 30), where conventional passive micromixers typically underperform. This in-fiber micromixing platform provides a practical and scalable route toward compact, flexible, and multifunctional microfluidic systems, opening opportunities for lab-in-fiber technologies and advanced microscale fluid handling.

0106流体工学
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