CN113373039B - 基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片及基于逐级增压打印单个微粒方法。本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，结构简单，随着捕获打印单元数量的增加及捕获槽数量的增加，可以实现高通量的单个微粒打印，提升单个微粒打印的效率。本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片可以实现无需视频监控的自动化打印，简化设备，减少人工操作，提升微粒的打印效率。此外，本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒方法通过液体压强的精密调节，从而实现对微粒的捕获及打印，相对于现有技术通过磁力、声波力等打印方法，设备大为简化，成本显著降低。

Description

基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片和方法

技术领域

本发明涉及微流体控制技术领域，涉及一种基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片和方法。

背景技术

目前，单细胞分析技术是再生医学、临床诊断和细胞治疗的重要工具。将单个细胞打印分离接种到单独的培养室是单细胞分析技术的关键。随着微流控技术的发展，相关技术中，采用了基于微流控技术的单个细胞打印方法，主要为：喷墨打印、单个微阀门筛选、双阀门筛选、移液管式单细胞分离等。这些方法虽然利用了微流控技术使用样品及试剂量少、反应速度快、可大量平行处理及可即用即弃等优点，但是也存在不足之处。

喷墨打印方法对设备的要求高，需要高速摄像机及自动辅助系统的精密配合，造价昂贵。单个微阀门筛选方法和双阀门筛选方法，分离过程操作繁琐，芯片制作复杂，且多个细胞同时到达挤压通道容易造成阀门堵塞，单细胞打印效率低。移液管式单细胞分离方法需要依靠人工手动操作，且流体剪切力难以控制，对细胞伤害性较大，并且每吸取一次只能打印一个细胞，打印效率低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，结构简单，易于实现，并能够提升单个微粒的打印效率。

本发明还提出一种应用于上述基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片的基于逐级增压打印单个微粒方法。

根据本发明的第一方面实施例的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，包括：

若干捕获打印单元，所述捕获打印单元包括控制部、若干条主通道和若干个捕获部，所述主通道的入口用于通入载有微粒的第一液体，所述捕获部朝向所述主通道的一侧上设置有多个捕获槽，所述捕获槽沿所述主通道的延伸方向分布，所述捕获槽用于捕获单个微粒，所述捕获槽连通主通道；

所述控制部设置有控制通道，所述控制通道位于所述捕获槽背离所述主通道的一侧，所述捕获槽与所述控制通道之间连通有阀门通道，所述阀门通道的宽度小于所述微粒的直径；所述控制通道包括入口端和多个出口端，所述入口端用于通入第二液体，所述入口端与多个所述捕获槽之间的流阻沿所述主通道内的所述第一液体的流动方向递增。

根据本发明实施例的微流控芯片，至少具有如下有益效果：捕获槽连通于主通道与控制通道之间，控制通道内的压强小于主通道内的压强时，主通道内与控制通道之间的压强差产生流体曳力，流体曳力能够将主通道内的微粒牵引至捕获槽中。当控制通道内与捕获槽连通处的液体的压强大于捕获槽中的液体的压强时，捕获槽中的微粒会被挤压回主通道之中，因此控制通道与各个捕获槽连通处的压强依次大于与主通道内第一液体的流动方向的相反方向上的捕获槽中的第一液体的压强时，与主通道内第一液体的流动方向的相反方向上的捕获槽中的微粒也会依次回到主通道之中，从而可以确定性地打印单个微粒。本发明实施例中的微流控芯片，结构简单，通过调节控制通道的内的第二液体的压强即可实现单个微粒的捕获及打印，且随着捕获打印单元数量的增加及捕获槽数量的增加，可以实现高通量的单个微粒打印，提升单个微粒打印的效率。

根据本发明的一些实施例，所述捕获打印单元包括两条主通道和两个所述捕获部，两个所述捕获部对称分布于所述控制部的两侧。

根据本发明的一些实施例，所述微流控芯片还设置有入口通道和冲洗通道，所述入口通道用于通入载有微粒的第一液体，所述主通道与入口通道连通，所述冲洗通道连通所述主通道，所述冲洗通道用于通入第二液体。

根据本发明的一些实施例，所述捕获槽包括平直部与限位部，所述平直部位于所述主通道与所述限位部之间，所述限位部连通所述控制通道，所述限位部沿所述主通道内的所述第一液体的流动方向的宽度自与所述控制通道连通的一端向另一端递增。

根据本发明的一些实施例，所述入口通道分叉成多个分支通道，其中任一所述分支通道与其下一级的所述分支通道之间的连通位置设置有限位阀，所述限位阀设置有中间通道，所述中间通道的轴线与所述分支通道的轴线共线，且所述中间通道的宽度小于所述分支通道的宽度，所述中间通道用于单个微粒通过。

根据本发明的一些实施例，所述限位阀还设置有多个第一液体通道，多个所述第一液体通道分布于所述中间通道的两侧，所述第一液体通道的宽度小于需打印的所述微粒的直径。

根据本发明的一些实施例，所述控制通道包括入口端，所述主通道呈直线延伸。

根据本发明的第二方面实施例的基于逐级增压打印单个微粒方法，应用于本发明第一方面实施例中所述的微流控芯片，包括以下步骤：

向所述主通道内通入载有所述微粒的第一液体，并使主通道内的第一液体流入所述控制通道内，微粒经过捕获槽时，被所述主通道内的第一液体与所述控制通道内的第一液体之间的压强差产生的流体曳力拖拽至捕获槽中；

使所有所述捕获槽捕获单个所述微粒；

向所述控制通道内通入第二液体，并增大所述控制通道内的所述第二液体的压强至设定压强，所述设定压强下，所述控制通道与距所述主通道的入口流动长度最远的所述捕获槽的连通处的第二液体的压强最先大于所述主通道内的第一液体的压强，并使所述控制通道与其他所述捕获槽连通处的第二液体的压强小于所述主通道内的第一液体的压强，所述主通道内沿第一液体流动方向距入口最远端的捕获槽中的所述微粒，由于所述捕获槽内的第一液体与所述控制通道内的第二液体之间的压强差产生的流体曳力进入所述主通道，继续逐级增加所述控制通道内的第二液体的压强，以从所述主通道的入口的远端至近端的顺序使所述捕获槽中的微粒依次进入所述主通道中；

使所述微粒从所述主通道流出。

根据本发明实施例的基于逐级增压打印单个微粒方法，至少具有如下有益效果：通过调节主通道内的液体的压强与控制通道内的液体的压强即可实现单个微粒的捕获及打印，易于实现，能够确定性地打印出单个微粒，并减少了人工筛选等操作，有效提升微粒的打印效率。此外，本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒方法，均通过液体的压强实现对微粒的捕获及打印，相对于现有技术通过磁力、声波力等打印方法，减少了外力对微粒的结构影响。

根据本发明实施中的基于逐级增压打印单个微粒方法，使所有所述捕获槽捕获单个所述微粒后，向所述主通道内通入不载有微粒的第二液体。

根据本发明实施中的基于逐级增压打印单个微粒方法，通过增加所述入口端到各个所述捕获槽之间的流动长度差；

或者，增加所述入口端连通各个捕获槽的分支通道之间的宽度差；

或者，增加所述入口端连通各个捕获槽的分支通道之间的高度差；

或者，通过上述三种方式中任意多种方式的结合；

以增加所述入口端与各个所述捕获槽之间的流阻差。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明一实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片的示意图；

图2为本发明图1实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片的A区域的局部放大图；

图3为本发明图1实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片的B区域的局部放大图；

图4为本发明图1实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片的部分结构示意图。

附图标记：

微粒10；

入口通道100，分支通道110，限位阀120，中间通道121，第一液体通道122；

捕获打印单元200，控制部210，控制通道211，末端分流通道212，第一管段213，第二管段214，入口端215，主通道220，捕获部230，捕获槽231，平直部232，限位部233，导向部234，阀门通道240；

冲洗通道300。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1、图2和图4，本发明的一实施例中提出了一种基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，包括若干捕获打印单元200。捕获打印单元200包括控制部210、若干条主通道220和若干条捕获部230，主通道220的入口用于通入载有微粒10的第一液体，捕获部230朝向主通道220的一侧上设置有多个捕获槽231，捕获槽231连通主通道220，用于捕获单个微粒10，捕获槽231沿主通道220的延伸方向分布，控制部210设置有控制通道211，控制通道211位于捕获槽231背离主通道220的一侧，控制通道211与捕获槽231连通。捕获槽231与控制通道211之间连通有阀门通道240，阀门通道240的宽度小于微粒10的直径，因此微粒10不会从捕获槽231中进入到控制通道221中。控制通道211包括入口端215，入口端215用于通入第二液体，入口端215与多个捕获槽231之间的流阻沿主通道220内的第一液体的流动方向递增。

其中，主通道220的延伸方向可以是沿直线延伸，也可以是曲折延伸。参照图4，捕获槽231的长度及宽度设置为大于所需捕获的微粒10的直径，以使捕获槽231能够容纳单个微粒10，可以理解的是捕获槽231的长度及宽度设置在一定范围内略大于单个微粒10的直径，以避免捕获槽231中容纳一个以上的微粒10。控制通道211可以分叉成多个分支以连通多个捕获槽231。第二液体通常为不载有微粒10的液体。例如微粒10为细胞时，第一液体为载有细胞的培养液，第二液体为不载有细胞的培养液。

例如，如图4所示，主通道220内的第一液体的流动方向为上下方向，基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片中的一个捕获槽231的开口方向朝向左方向，主通道220内通入载有微粒10的第一液体后，可以通过对控制通道211施加负压，以使主通道220内的第一液体进入控制通道211中，此外，根据泊肃叶定律，第一液体在流动的过程中，会由于流阻作用，第一液体压强会逐渐越小。第一液体经过了捕获槽231与阀门通道240后，压强减小，主通道220内的微粒10由于受到主通道220与控制通道211之间的压强差产生的流体曳力作用，微粒10由主通道220内进入捕获槽231中，并由于流体曳力的作用方向为主通道220朝向控制通道211的方向，因此，主通道220内的第一液体始终会从捕获槽231流向控制通道211，微粒10会滞留于捕获槽231中，而不会被主通道220内的第一液体所冲走，由此实现了捕获槽231对单个微粒10的捕获。

当所有的捕获槽231均捕获到单个微粒10后，向控制通道211内通入第二液体，当控制通道211内的第二液体的压强大于捕获槽231中的第一液体的压强时，捕获槽231中捕获的微粒10会在控制通道211内的第二液体的压强产生的流体曳力的作用下从捕获槽231挤压回主通道220中，由此实现微粒10的打印。

入口端215与多个捕获槽231之间的流阻沿主通道220内的第一液体的流动方向递增。本实施例中的主通道220、控制通211道以及阀门通道240均为矩形截面通道。矩形截面的通道利于加工。可以理解的是，在一些实施例中，主通道220、控制通道211以及阀门通道240可以全部或部分设置为圆形截面的管道或其他形状的通道。

以矩形截面的通道为为例，根据泊肃叶方程：

Q＝Δp/R；

R＝(12×L×η)/(h³×w),

其中，Q为通道流量，Δp为通道两端的压强差，R为流阻，η流体的粘滞系数，L为通道的长度，h为通道的高度，w为通道的宽度。

可以理解的是，在微流体芯片之中，通道流量Q、流体的粘滞系数η均为确定值，因此可以设定入口端215到各个捕获槽231之间的通道的长度L、通道的高度h以及通道的宽度w，可以设定出不同的流阻。流阻越大，捕获槽231与入口端215之间的压强差越大。根据泊肃叶方程，通道的长度L越长，流阻R越大；通道的高度h、通道的宽度w越小，流阻R越大。因此，设置入口端215到达与主通道220的入口流动长度近的捕获槽231之间的通道的长度大于与主通道220的入口流动长度远的捕获槽231之间的通道的长度；或者，设置入口端215与与主通道220的入口流动长度近的捕获槽231之间的通道的宽度小于入口端215与与主通道220的入口流动长度远的捕获槽231之间的通道的宽度；或者，设置入口端215与与主通道220的入口流动长度近的捕获槽231之间的通道的高度小于入口端215与与主通道220的入口流动长度远的捕获槽231之间的通道的高度，实现入口端215与多个捕获槽231之间的流阻沿主通道220内的第一液体的流动方向方向递增。可以理解的是，实现入口端215与多个捕获槽231之间的流阻沿主通道220内的第一液体的流动方向递增的方式，也可以是上述三种方式中多种方式的结合。

以下给出了设置入口端215与多个捕获槽231之间的流阻沿主通道220内的第一液体的流动方向递增的一个示例：参照图1、图2和图4，在本发明的一些实施例中，主通道220内的第一液体的流动方向为上下方向，控制通道211包括多个末端分流通道212，每个末端分流通道212均连通相邻的两个捕获槽231，末端分流通道212与捕获槽231之间设置有阀门通道240，末端分流通道212包括第一管段213与第二管段214，第一管段213连通于相邻的两个捕获槽231中位于上方的捕获槽231，第二管段214沿第一管段213朝向捕获槽231的一侧延伸，第二管段214宽度小于第一管段213宽度，第二管段214连通于相邻的两个捕获槽231中位于下方的捕获槽231，第二管段214宽度大于阀门通道240宽度。

第二管段214大于阀门通道240的宽度，第二管段214的流阻更小，根据泊肃叶方程，流阻小的通道两端的压强差更小。因此连接于同一末端分流通道212的两个相邻捕获槽231中，位于上方的捕获槽231与第一管段213之间的压强差会大于位于下方的捕获槽231与第一管段213之间的压强差，从而能够增加相邻两个捕获槽231之间的打印压强差，便于打印过程中逐级增加控制通道211内的压强梯度，保证各个捕获槽231中捕获的微粒10依次打印。

入口端215与多个捕获槽231之间的流阻沿主通道220内的第一液体的流动方向递增，使入口端215与各个捕获槽231之间的压强差沿主通道220内的第一液体的流动方向增加，从而控制通道211中的第二液体到达与主通道220的入口流动长度远的捕获槽231位置的压强小于到达与主通道220的入口流动长度近的捕获槽231位置的压强，从而打印位于上方的捕获槽231中的微粒10需要更大压强的第二液体。

使控制通道211与距主通道220的入口流动长度最远的捕获槽231的连通处的第二液体的压强最先大于主通道220内的第一液体的压强，并使控制通道211与其他捕获槽231连通处的第二液体的压强小于主通道220内的第一液体的压强，从而与主通道220的入口流动长度最远端的捕获槽231中的微粒10会先在流体曳力的作用下进入到主通道220中，而与其他捕获槽231连通位置的控制通道211内的第二液体的压强仍小于主通道220内的第一液体的压强，该捕获槽231以外的其他捕获槽231中的微粒10仍会滞留在捕获槽231中。对控制通道211内的第二液体进行逐级增压，以使控制通道211与各个捕获槽231之间的连通处的第二液体的压强沿主通道220内的第一液体流动方向的相反方向依次大于主通道220内的第一液体的压强，由此实现单个微粒10的打印。

基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片可以设置一个或多个捕获打印单元200，设置的捕获打印单元200的数量越多，所能够打印的微粒10的数量越多。例如，参照图1和图4，基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片设置四个捕获打印单元200，每个捕获打印单元200中设置了两条主通道220和两根捕获部230，每个捕获部230设置16个捕获槽231，由此，本实施例的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片具有128个捕获槽231，可以捕获128个微粒，通入控制通道211的每一级压强的第二液体的能同时挤出不同捕获部230的同一位置的捕获槽231中的微粒10，即一个捕获打印单元200通入控制通道211的中每一级压强的第二液体能够同时挤出2个微粒10，捕获部230中的微粒10通过对控制通道211中的第二液体逐级增压的方式依次挤出，实现多通道、高通量的单个微粒确定性打印。实际实施当中，可根据所需的打印通量和总数，对捕获打印单元200的数量、每个捕获打印单元200中捕获部230的数量和每个捕获部230中捕获槽231的数量进行合理配置。

本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，设置了主通道220、捕获槽231、阀门通道240和控制通道211，通过调节主通道220内的第一液体的压强与控制通道211内的第二液体的压强即可实现单个微粒10的捕获及打印，结构简单，且易于实现单个微粒10打印，并提高了打印单个微粒的确定性，避免依次打印出多个微粒10。随着捕获打印单元200数量的增加及捕获槽231数量的增加，可以实现高通量的单个微粒10打印，提升单个微粒10打印的效率。本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片通过连接泵、PLC(可编程逻辑控制器)等装置可以实现自动化打印，减少人工操作，提升微粒10的打印效率。此外，本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片均通过液体的压强实现对微粒10的捕获及打印，相对于现有技术通过磁力、声波力等打印方法，相对于现有技术通过磁力、声波力等打印方法，设备大为简化，成本显著降低。此外，在打印细胞等易于破坏的微粒时，本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片减少了磁力、声波力等外力对细胞的结构影响，提高了细胞的存活率。

参照图1，在本发明的一些实施例中，捕获打印单元200包括两条主通道220和两个捕获部230，两个捕获部230对称于控制部210的两侧。由于两个捕获部230对称分布于控制部210的两侧，当主通道220的第一液体的压强一样时，两个捕获部230中同一位置的捕获槽231中第一液体的压强相同，因此可以通过控制部210同时控制两个捕获部230中的微粒10打印，提升打印效率。

参照图1、图2和图4，在本发明的一些实施例中，捕获槽231包括平直部232与限位部233，平直部232位于主通道220与限位部233之间，限位部233连通控制通道211，限位部233沿主通道220内的第一液体的流动方向的宽度，自限位部233与控制通道211连通的一端向另一端递增。例如，参照图1，主通道220内的第一液体的流动方向为图1所示上下方向，限位部233沿图1所示呈左宽右窄的结构，微粒10从主通道220进入捕获槽231中后，微粒10接触限位部233的槽壁，限位部233能够从上下方向对微粒10进行限位，能够防止微粒10从捕获槽231中滑脱出。

参照图1、图2和图4，在本发明的一些实施例中，捕获槽231还包括导向部234，导向部234位于主通道220与平直部232之间，导向部234的槽壁呈圆弧形，导向部234沿主通道220内的第一液体的流动方向的宽度自与主通道220连通的一端向另一端递减，导向部234能够对微粒10进行导向，使微粒10更容易进入捕获槽231，此外，圆弧形的槽壁能够避免对微粒10造成刮伤。

参照图1和图4，在本发明的一些实施例中，基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片还设置有入口通道100和冲洗通道300，主通道220与入口通道100连通，冲洗通道300连通主通道220，入口通道100用于通入载有微粒10的第一液体，冲洗通道300用于通入不载有微粒的第二液体。载有微粒10的第一液体从入口通道100进入主通道220，当基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片中的捕获槽231均捕获到单个微粒后，主通道220中仍可能残留有微粒，停止向入口通道100中通入载有微粒的第一液体，并向冲洗通道300中通入第二液体，使第二液体将残留的微粒从主通道220冲走，再进行后续的打印过程，从而保证每次打印只打印出每个捕获槽231中的单个微粒。本发明实施例中的入口通道100、控制通道211和冲洗通道300中可以设置用于过滤液体中杂质的过滤装置。在设置有多条主通道220的实施例中，入口通道100可以分叉成多个分支，以连通各条主通道220。

参照图1和图3，在本发明的一些实施例中，入口通道100分叉成多个分支通道110，其中任一入口分支通道110与其下一级的分支通道110的连通位置设置有限位阀120，限位阀120设置有中间通道121，中间通道121的轴线与分支通道110的轴线共线，且中间通道121的宽度小于分支通道110的宽度，中间通道121用于单个微粒10通过。中间通道121的轴线与分支通道110的轴线相同，从而中间通道121位于分支通道110的中间位置。由于分支通道110需要向从图1所示左右两侧进行分叉，分支通道110中设置限位阀120，保证微粒从分支通道110的中间位置通过，能够避免分支通道110中的微粒只单向流入两侧的下一级分支通道110之中，使上一分支通道110中的微粒能够均匀流向下方的左右两侧的分支通道110之中。

参照图1和图3，在本发明的一些实施例中，限位阀120还设置有多个第一液体通道122，多个第一液体通道122分布于中间通道121的两侧，第一液体通道122的宽度小于需打印的微粒10的直径。设置第一液体通道122，避免通道第一液体通道122横截面积骤然减小，当打印的微粒10为细胞等易发生结构损坏的微粒时，能够避免第一液体通道122内的流速太大对微粒10产生损害。

参照图1和图3，在本发明的一些实施例中，中间通道121的顶部的宽度沿分支通道110内的第一液体的流动方向逐渐减少，中间通道121底部的宽度沿分支通道110内的第一液体的流动方向逐渐增加。中间通道121的顶部沿分支通道110内的第一液体的流动方向逐渐变窄，对于微粒10有导向作用，使微粒10从分支通道110的两侧向中间靠近。中间通道121的底部沿分支通道110内的第一液体的流动方向逐渐变宽，利于微粒10流入下方两侧的分支通道110之中。

参照图1，在本发明的一些实施例中，主通道220设置为沿一方向延伸的直线通道，捕获部230中的捕获槽231沿一方向分布，能够简化基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片内部的控制通道220的设置，减少控制通道220与捕获槽231之间的管路分支，并使打印的微粒10的流动路径更短。此外，主通道220的出口位于基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片沿一方向的一端，基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片在使用中可沿上下方向放置，在基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片下方设置微粒接收装置，方便于微粒10能够直接从主通道220的出口流入微粒打印的接收装置中。例如，微粒10为细胞时，微粒打印的接收装置为细胞培养装置。

参照图1至图4，本发明的实施例中还提出了一种应用于上述实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片的基于逐级增压打印单个微粒方法，包括以下步骤：

向主通道220内通入载有微粒10的第一液体，使主通道220内的第一液体流入控制通道211内，微粒10经过捕获槽时，被主通道220内的第一液体与控制通道211内的第一液体之间的压强差产生的流体曳力拖拽至捕获槽231中；

使所有捕获槽231捕获单个微粒10；

向控制通道211内通入第二液体，并增大控制通道211内的第二液体的压强至设定压强，设定压强下，控制通道211与距主通道220的入口流动长度最远的捕获槽231的连通处的第二液体的压强最先大于主通道220内的第一液体的压强，并使控制通道211与其他捕获槽231连通处的第二液体的压强小于主通道220内的第一液体的压强，主通道220内沿第一液体的流动方向距入口最远端的捕获槽231中的微粒10，由于捕获231内的第一液体与控制通道211内的第二液体之间的压强差产生的流体曳力进入主通道，继续逐级增加控制通道211内的第二液体的压强，以从主通道220的入口的远端至近端的顺序使捕获槽231中的微粒依次进入主通道220中；

使微粒10从主通道220流出。

由于捕获槽231需要捕获单个微粒10，因此捕获槽231的尺寸要根据所需要捕获的微粒10设定，以避免捕获槽231捕获多个微粒10。使主通道220内的第一液体流入控制通道211内的方式，可以是向控制通道211施加负压。捕获槽231捕获单个微粒10的过程为，向控制通道211施加负压，以使主通道220内的第一液体流入控制通道211内，微粒10经过捕获槽时，被主通道220内的第一液体与控制通道211内的第一液体之间的压强差产生的流体曳力拖拽至捕获槽231中。持续地通入载有微粒10的第一液体，直至所有的捕获槽231都捕获了微粒10为止，然后开始进行单个微粒10打印。施加负压的方式可以通过各类泵结构实现。在一些实施例中，为了避免载有微粒10的第一液体在主通道220之中残留有多余的微粒10，可以再向主通道220通入不载有微粒10的第二液体，避免残留的微粒10对单个微粒10打印的影响。通过设定主通道220内载有微粒的第一液体的通入时间，可以使所有的捕获槽231捕获微粒10，从而实现自动化盲打。

入口端215与多个捕获槽231之间的流阻沿主通道220内的第一液体的流动方向递增，使入口端215与各个捕获槽231之间的压强差沿主通道220内的第一液体的流动方向增加，从而控制通道211中的第二液体到达与主通道220的入口流动长度远的捕获槽231位置的压强小于到达与主通道220的入口流动长度近的捕获槽231位置的压强，从而打印位于上方的捕获槽231中的微粒10需要更大压强的第二液体。使控制通道211中第二液体的压强增加至设定压强，设定压强下，距主通道220的入口流动长度最远的捕获槽231中的微粒10会在流体曳力进入到主通道220中。通过逐级增加控制通道211内的第二液体的压强，使控制通道211与各个捕获槽231之间的连通处的第二液体的压强沿主通道220内的第一液体流动方向的相反方向依次大于主通道220内的第一液体的压强，从而与主通道220的入口流动长度远的捕获槽231中的微粒10会先被控制通道211内的液压挤回主通道220中，由此使各个捕获槽231中的微粒10沿与主通道220内第一液体的流动方向的相反方向依次实现单个打印。

为了防止压强梯度过小导致逐级增强压强的梯度难以控制，可以增加控制通道211中的入口端215与各个捕获槽231之间的流阻梯度，来增加入口端215与各个捕获槽231连通处之间的压强差，从而避免一次打印出多个微粒10。根据泊肃叶方程，通道的长度越长，流阻越大；通道的高度、通道的宽度越小，流阻越大。因此可以通过增加入口端215到各个捕获槽231之间的流动长度差；或者，增加控制通道211中入口端215连通各个捕获槽231的分支通道之间的宽度差；或者，增加控制通道211中入口端215连通各个捕获槽231的分支通道之间的高度差，来增加入口端215到各个捕获槽231之间的流阻差。增加入口端215与各个捕获槽231之间的流阻差的方式，也可以是上述三种方式中任意多种方式的结合。可以理解的是，入口端215与距主通道220的入口流动长度近的捕获槽231之间的流阻始终大于入口端215与距主通道220的入口流动长度远的捕获槽231之间的流阻。

本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片中的多个捕获打印单元200可以同时进行并排打印，微粒10从主通道220流出后，进入到微粒打印的接收装置中。例如，以打印单个细胞为例，微粒打印的接收装置为标准培养孔板，当所有捕获打印单元200中的各个捕获槽231均捕获到单个细胞后，将基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片转移至标准培养孔板的上方，并使每个捕获打印单元200中的主通道220均对准标准培养孔板中的一个培养孔，通过逐级增加控制通道211内的压强的方法对每个捕获打印单元200中的捕获槽231中的细胞同时进行打印；当基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片中的所有的捕获槽中的细胞均被打印至标准培养孔板后，再向入口通道100内通入载有细胞的培养液，重复上述的步骤，进行下一次循环打印。

本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，可以通过泵、移动机构和PLC等装置配合实现自动化逐级增加控制通道211内的压强以及基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片在标准培养孔板上方的移动方向，从而实现对单个微粒10的自动化打印。

本发明的实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片及单个微粒方法在实际使用中，可以用于打印细胞、磁性微球或其他微粒结构。

本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒方法，易于实现，不需要人工操作，有效提升单个微粒的打印效率。此外，本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒方法，在打印单个微粒的过程之中，均通过液体的压强实现对微粒的捕获及打印，相对于现有技术通过磁力、声波力等打印方法，设备大为简化，成本显著降低。此外，在打印细胞等易破坏微粒时，本发明实施例中的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片减少了磁力、声波力等外力对微粒的结构影响。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (7)

1.基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，包括：

若干捕获打印单元，所述捕获打印单元包括控制部、若干条主通道和若干个捕获部，所述主通道的入口用于通入载有微粒的第一液体，所述捕获部朝向所述主通道的一侧上设置有多个捕获槽，所述捕获槽沿所述主通道的延伸方向分布，所述捕获槽用于捕获单个微粒，所述捕获槽连通主通道；

所述控制部设置有控制通道，所述控制通道位于所述捕获槽背离所述主通道的一侧，所述捕获槽与所述控制通道之间连通有阀门通道，所述阀门通道的宽度小于所述微粒的直径；所述控制通道包括入口端和多个出口端，所述入口端用于通入第二液体，所述入口端与多个所述捕获槽之间的流阻沿所述主通道内的所述第一液体的流动方向递增；

微粒经过所述捕获槽时，被所述主通道内的第一液体与所述控制通道内的第一液体之间的压强差产生的流体曳力拖拽至捕获槽中，所述控制通道能够通入不带微粒的第二液体，且第二液体的压强为预设压强，所述控制通道与距所述主通道的入口流动长度最远的所述捕获槽的连通处的第二液体的压强最先大于所述主通道内的第一液体的压强，所述控制通道与其他所述捕获槽连通处的第二液体的压强小于所述主通道内的第一液体的压强，所述主通道内沿第一液体流动方向距入口最远端的捕获槽中的所述微粒，在所述捕获槽内的第一液体与所述控制通道内的第二液体之间的压强差产生的流体曳力作用下进入所述主通道，逐级增加所述控制通道内的第二液体的压强，所述捕获槽中的微粒能够从所述主通道的入口的远端至近端的顺序依次进入所述主通道中，并能够从所述主通道内流出；

其中，通过增加所述入口端到各个所述捕获槽之间的流动长度差；

或者，增加所述入口端连通各个捕获槽的分支通道之间的宽度差；

或者，增加所述入口端连通各个捕获槽的分支通道之间的高度差；

或者，通过以上三种方式中任意多种方式的结合；

以增加所述入口端与各个所述捕获槽之间的流阻差。

2.根据权利要求1所述的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述捕获打印单元包括两条主通道和两个所述捕获部，两个所述捕获部对称分布于所述控制部的两侧。

3.根据权利要求1所述的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还设置有入口通道和冲洗通道，所述入口通道用于通入载有微粒的所述第一液体，所述主通道与入口通道连通，所述冲洗通道连通所述主通道，所述冲洗通道用于通入第二液体。

4.根据权利要求1所述的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述捕获槽包括平直部与限位部，所述平直部位于所述主通道与所述限位部之间，所述限位部连通所述控制通道，所述限位部沿所述主通道内的所述第一液体的流动方向的宽度，自所述限位部与所述控制通道连通的一端向另一端递增。

5.根据权利要求4所述的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述入口通道分叉成多个分支通道，其中任一所述分支通道与其下一级的所述分支通道之间的连通位置设置有限位阀，所述限位阀设置有中间通道，所述中间通道的轴线与所述分支通道的轴线共线，且所述中间通道的宽度小于所述分支通道的宽度，所述中间通道用于单个所述微粒通过。

6.根据权利要求5所述的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述限位阀还设置有多个第一液体通道，多个所述第一液体通道分布于所述中间通道的两侧，所述第一液体通道的宽度小于需打印的所述微粒的直径。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于逐级增压打印单个微粒的微流控芯片，其特征在于，所述主通道呈直线延伸。

Images