CN106391363B - 一种多喷头、多通道微滴喷射设备和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多喷头、多通道微滴喷射设备，所述微滴喷射设备包括储液瓶，位于所述储液瓶内的气体导管，通过多个导液管与所述储液瓶相连的多个微喷管，用于固定所述微喷管和控制所述微喷管运动的微位移往复运动机构，位于所述多个微喷管下方的三维运动机构；还包括用于控制所述微喷管运动机构和三维运动机构的控制系统。由于本发明的液滴产生和分配方法，通过气压和多个微喷管的毛细作用力实现待分配液体的供液、补液和退液，在分配过程中不产生接触污染，节省材料，且不需附加的补液装置，降低了系统的复杂度。

Description

一种多喷头、多通道微滴喷射设备和工艺

技术领域

本发明涉及微量液滴传输和分配领域，尤其是涉及一种能够分配含有生物活性材料的多通道微量液滴产生和分配系统。

背景技术

微量液滴在现在科技中具有巨大的应用空间。在生物制造、电子封装、胶水喷涂以及一些微滴成型快速制造技术领域中都涉及到如何将微量液体产生和分配到指定位置上。随着技术的不断发展和进步，微量液滴的使用趋向于体积小，数量多，精度高的方向发展。尤其伴随着生命科学、组织工程和生物芯片等领域的快速发展，如何高精度、快速度、高重复性地实现μl到pl量级且含有生物活性材料的微量液滴的产生和分配得到了越来越多科学工作者的关注。

现有常见的微量液滴产生和分配方式主要分为两类：接触式和非接触式。接触式点样速度快，工作效率高，但是液滴受到的剪切作用力大，对于组织工程中含有生物活性材料的微量液滴具有较大损伤。非接触式主要包括热气泡喷射、微阀控制和压电喷射三种方法。热气泡法在分配过程中会产生瞬间高温、高压或瞬间强静电场，对液滴中可能含有的生物活性材料不利。基于交变滞惯力的微滴喷射设备利用微喷管产生非对称的往复运动产生液滴喷射驱动，这种方法不产生瞬时的高温高压，不会对具有生物活性材料带来不利的影响。但是现有的基于交变滞惯力微滴喷射技术的进样方式是用注射器将液体试样从玻璃微喷管后端注入，主要缺点是连续性差，即一次加入只可喷射较短暂的一段时间，不具有喷射的可持续性；此外，当前方法只可以实现加样，不能实现退样，而且工作过程中多为单流道工作状态，在针对诸如微孔板转移等需要高通量液体转移的情况中存在工作速度慢、效率低、稳定性差的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术的细胞打印设备中存在的进样连续性差、喷头数目单一导致微滴喷射效率较低的缺陷，本发明提供一种多喷头、多管道的微滴喷射设备。

(二)技术方案

本发明中，所述微滴喷射设备包括瓶口密封的储液瓶，插入所述储液瓶内的气体导管，通过多个导液管与所述储液瓶相连的多个微喷管，用于固定所述微喷管和控制所述微喷管运动的微位移往复运动机构，位于所述多个微喷管下方的三维运动平台；还包括用于控制所述微位移往复运动机构和三维运动机构的控制系统。

本发明中，所述多个导液管与一个储液瓶相连或者与多个储液瓶分别相连。本发明的导液管可与多个储液瓶相连，可同时实现不同种类流体的喷射。

本发明中，所述微喷管的喷口的直径d_nozzle满足1d_cell<d_nozzle<2d_cell，其中d_cell为所述细胞悬浮液中的单细胞直径，d_nozzle满为喷头出口处内直径。一般情况设置5～10个微喷管，当需要更多微喷管时可通过二维空间排布以及光刻喷头组件的方式来增加流道数量。用光刻硅片来代替微喷管，在微量液滴分配的过程中，有限的喷射组件空间可以形成更加密实的喷射口，在一次操作中可以实现更多微量液滴的形成与分配，实现更高能量的液滴分配。

本发明中，所述微喷管所述微喷管的材质为玻璃。

本发明中，所述控制系统包括用于控制所述微位移往复运动机构的微位移往复运动控制器，用于控制三维运动机构运动的三维运动控制器和控制所述述微位移往复运动控制器和三维运动控制器的工控机。所述工控机分别对三维运动机构和微位移往复运动机构发出指令以控制所述三维运动机构运动和所述微位移往复运动机构运动。

本发明中，还包括用于观察液滴分配情况的摄像装置。在微量液滴分配后检测需分配位置的分配情况；根据检测到的分配情况进行反馈和补充，以提高分配的成品率。优选地，该摄像装置可为CCD摄像机，具有灵敏度高、抗强光、体积小、寿命长、抗震动的特点。

本发明的另一目的是保护利用所述喷射设备进行液滴分配的方法，包括如下步骤：

1)将待分配液体注入所述储液瓶中；

2)通过所述气体导管向所述待分配液中通入气体，推动所述待分配液体经过导液管进入所述多个微喷管中；

3)利用所述微位移往复运动机构在所述多个微喷管上执行预定的往复运动驱动，且在此过程中三维运动机构由工控机驱动三维运动机构控制器进行特定路径的X、Y、Z三个方向的运动，将液滴分配在预定位置上；

4)如果需要继续分配所述流体的液滴，则利用所述多个微喷管重复所述步骤3)，直至完成所有预定位置上的分配。

利用调节储液瓶气压的方式既可进行进液，也可进行退液，利用调节储液瓶气压的方式供液、退液原理如下：供液时，向所述储液瓶注气后增大储液瓶中所述待分配液体受到的气压，所述气压大于大气压力，将液体从储液瓶中推动至微喷管内；打印过程中，到达微喷管的液体，由于所述微喷管内径较小，受到较大的毛细作用力，在分配过程中，由所述气压与所述毛细作用力提供液体自动补充的驱动力，实现所述待分配液体的连续分配过程；退液时，从所述储液瓶中抽气减小所述待分配液体受到的气压，所述气压远小于大气压力，所述大气压力克服毛细作用力和所述气压将液体推回储液瓶中，完成退液，完成对细胞液的吸取。

根据本发明实施例的含有生物活性材料的微量液滴在进行上述的步骤前，应将微喷管、往复运动机构、导液管和储液瓶放入到无菌腔室内进行灭菌处理，以保证上述步骤是在无菌的环境下进行，避免细菌对生物材料的污染，保证生物材料的活性和性状。在针对其他不同的待分配液体时，可按照相关液体的具体情况对设备进行润湿、消毒等处理。

该所需的打印位置可位于空气介质中、液体介质中或凝胶介质中。同时，在将待分配液体分配到指定位置时，微喷管可以悬于基板上方一定高度，也可插入网格空洞中进行液滴的分配。

本发明中，在所述步骤3)中，所述微位移往复运动机构带动所述微喷管产生非对称的往复运动产生液滴喷射驱动，其中所述非对称往复运动是指微喷管在压电驱动器的驱动下做去程和返程加速度不同的往复运动，一般来说，返程加速度要大于去程加速度，从而呈现去程和返程运动位移-时间曲线不对称的情况；且微喷管的非对称往复式运动独立于三维运动机构，二者均受控于各自的控制器，而各自的控制器则由输入工控机的打印程序驱动控制。

利用交变滞惯力进行的微量液滴产生和分配过程的原理如下：充满待分配液体的微喷管在往复运动机构的驱动下做往复运动，当微喷管首先向负方向运动时，待分配液体与微喷管的内壁之间的粘滞力作为动力驱动微喷管内待分配液体向负方向运动，而待分配液体自身的惯性力作为阻力阻碍其向负方向运动。当微喷管接着向正方向运动时，惯性力与黏滞力的作用效果与向负方向运动时恰好相反。如果通过控制微喷管运动的加速度和加速度的时间，实现当微喷管向负方向运动时作为阻力的惯性力较小，而当微喷管向正方向运动时作为动力的惯性力较大，那么在一个运动周期内，待分配液体相对于微喷管就要产生一段沿负方向的位移，从而形成待分配液体的微量液滴并滴落在指定位置处。

本发明中，在所述步骤3)中，通过控制所述微位移往复运动机构的电压、频率和驱动波形可以实现对微量液滴的速度和直径的参数的调控。

本发明的第二个目的是保护本发明所述的多喷头、多通道微滴喷射设备在微量液滴的产生与分配领域的应用；本发明所述的设备尤其适于在含有生物活性物质的领域的应用，该生物活性物质包括细胞、蛋白质、DNA等。其具体应用实例包括向6、12、24、96及更多的生物培养板的转移、生物芯片的制备、细胞打印等需要μL和ρL量级的生物活性微量液滴的打印的场合；还可应用于具有微量液滴产生与分配的工业领域，该分配液滴根据不同的工业需要选择不同的材料，包括胶水、焊接等。

(三)有益效果

1)本发明所述的装置，通过加大储液瓶内的压力来实现进样，操作简单，可实现连续进样；

2)本发明所述的方法，可通过减少储液瓶内的压力来实现退样，使用的过程中操作方便；可大大提高效率；

3)本发明的液滴产生和分配方法，采用的多个微喷管数量在5～10个，进一步地，可以通过二维空间排布的方式可以实现更高的微喷管的数量，使得一次往复运动形成多个微量液滴，提高了微量液滴形成和分配的高通量和一致性，提高了效率；

4)在本发明中，可采用拉制后的玻璃电极作为微喷管，降低了喷头组件的复杂程度，在使用、维护与更换上降低了成本；同时，由于本发明的液滴产生和分配方法，通过气压和多个微喷管的毛细作用力实现待分配液体的供液、补液和退液，在分配过程中不产生接触污染，节省材料，且不需附加的补液装置，降低了系统的复杂度。

5)本发明所述微滴喷射设备通过利用液体的黏滞力和惯性力交替地作为动力即利用交变滞惯力的作用来实现微量液滴的形成与分配，从而在整个分配的过程中均无瞬间高温、瞬间高压或瞬间强静电场的产生，对生物活性物质液滴的影响小。

附图说明

图1为多喷头、多通道微量液滴产生和分配的系统示意图

图2为微喷管单独供液方式示意图

图3为光刻硅片喷头组件示意图

图中：1、三维运动机构；2、储液瓶；3、微喷管；4、微位移往复运动机构；5、微位移往复运动控制器；6、摄像装置；7、微喷管夹具；8、样品承载器；9、导液管；10、气体导管；11、工控机；12、三维运动控制器。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例涉及一种多喷头、多通道微滴喷射设备，其示意图如图1，包括储液瓶2，位于所述储液瓶内的气体导管10，通过多个导液管9与所述储液瓶2相连的多个微喷管3，用于固定所述微喷管的微喷管夹具7和控制所述微喷管运动的微位移往复运动机构4，依次位于所述多个微喷管下方的样品承载器8和三维运动机构1；还包括用于控制所述微喷管运动机构和三维运动机构的控制系统。

实施例2

同实施例1相比，本实施例的区别在于，

所述气体导管的直径为1mm-5mm，储液瓶的体积为5mL-20mL。

所述微喷管的结构为上端是粗管区，下端是喷射细管区，上端和下端中间区域是锥形过渡区，其喷口的直径为15μm-200μm。

所述微喷管还可为光刻硅片(如图3所示)。

所述多个导液管与多个储液瓶分别相连。(如图2所示)

所述控制系统包括用于控制所述微位移往复运动机构的微位移往复运动控制器5，所述控制器包括可产生任意电压波形的可编程信号发生器和功率放大器，其中功率放大器的放大电压范围是0-150V；用于控制三维运动机构运动的三维运动控制器12，主要由PMAC控制器组成，和与所述微位移往复运动控制器和三维运动控制器相连的工控机11。

还包括摄像装置6。

实施例3

本实施例涉及利用本发明所述的多喷头、多通道的微滴喷射设备进行生物活性材料，如海藻酸钠/胶原/明胶/基质胶等与细胞形成混合物喷射的方法，其具体步骤如下：

1)灭菌：对三维运动机构1和微位移往复运动机构4采用紫外线灭菌灯照射的方式进行灭菌，灭菌时间约为30分钟，储液瓶2、导液管9和微喷管3采用高压蒸汽的方式进行灭菌。

2)将所需分配的海藻酸钠/胶原/明胶/基质胶等与细胞配成液体约5mL-20mL装于气体储液瓶中；

3)通过所述气体导管向所述待分配液中通入气体，通气速度为0.001mL/min-1mL/min，推动所述待分配液体经过导液管进入所述多个微喷管中；

4)利用所述微位移往复运动机构在所述多个微喷管上执行预定的往复运动驱动，将液滴分配在预定位置上。在所述微喷管进行单细胞的打印过程中，所述微喷管做靠近液面的运动，其加速度先由零上升到第二预定值，接着保持所述第二预定值第二预定时间，最后再回到零值。其中所谓非对称往复运动是指微喷管在压电驱动器的驱动下做去程和返程加速度不同的往复运动，一般来说，返程加速度要大于去程加速度，从而呈现去程和返程运动位移-时间曲线不对称的情况。

实施例4

同实施例3相比，本实施例的区别为，在需要的时候，可通过减小所述储液瓶内的压力实现退液，即直接吸取所需量的液体，然后根据需要喷射于相应的承载器上。

由以上可知，本发明所述的多微滴喷设设备，进样装置简单，可实现连续进样，可设置多个微喷头，有利于实现高通量的液体转移，同时工作速度快、效率高、稳定性好。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种进行液滴分配的方法，其特征在于，进行微滴喷射的设备包括瓶口密封的储液瓶，插入所述储液瓶内的气体导管，通过多个导液管与所述储液瓶相连的多个微喷管，用于固定所述微喷管和控制所述微喷管运动的微位移往复运动机构，位于所述多个微喷管下方的三维运动平台；还包括用于控制所述微位移往复运动机构和三维运动平台的控制系统；其步骤如下：

1）将待分配液体注入所述储液瓶中；

2）通过所述气体导管向所述待分配液中通入气体，推动所述待分配液体经过导液管进入所述多个微喷管中；

3）利用所述微位移往复运动机构在所述多个微喷管上执行预定的往复运动驱动，且在此过程中三维运动平台由工控机驱动三维运动平台控制器进行特定路径的X、Y、Z三个方向的运动，将液滴分配在预定位置上；

4）如果需要继续分配所述液滴，则利用所述多个微喷管重复所述步骤3），直至完成所有预定位置上的分配。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个导液管与一个储液瓶相连或者与多个储液瓶分别相连。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述微喷管的材质为玻璃。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述微喷管的喷口的内径d_nozzle满足1d_cell<d_nozzle<2d_cell，其中所述d_cell为细胞悬浮液中的单细胞直径。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述控制系统包括用于控制所述微位移往复运动机构的微位移往复运动控制器，用于控制三维运动平台的三维运动平台控制器和控制所述述微位移往复运动控制器和三维运动平台控制器的工控机。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述控制系统包括用于控制所述微位移往复运动机构的微位移往复运动控制器，用于控制三维运动平台的三维运动平台控制器和控制所述述微位移往复运动控制器和三维运动平台控制器的工控机。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括用于观察液滴分配情况的摄像装置。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括用于观察液滴分配情况的摄像装置。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中气体的通入速度为0.001mL/min～1mL/min。

10.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于，在所述步骤3）中，所述微位移往复运动机构带动所述微喷管进行非对称的往复运动产生液滴喷射驱动，利用交变滞惯力的作用来实现微量液滴的形成和分配。