CN114273106A - 气动微液滴发生器及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体力学技术领域，具体涉及气动微液滴发生器及其制备工艺。气动微液滴发生器包括进气板、底板、腔室芯板、第一超薄防水胶带和第二超薄防水胶带；所述进气板通过第一超薄防水胶带与腔室芯板粘合；所述腔室芯板通过第二超薄防水胶带与底板粘合。制备工艺包括S1，对腔室芯板进行激光烧蚀，使喷嘴微流通道和分支脉冲通道成型；S2，对喷嘴微流通道进行疏水处理；S3，将进气板通过第一超薄防水胶带与腔室芯板粘合；将腔室芯板通过第一超薄防水胶带与底板粘合，完成气动微液滴发生器制备。本发明具有能有效防止细胞损伤，且制备工艺简单，成本低廉的特点。

Description

气动微液滴发生器及其制备工艺

技术领域

本发明属于流体力学技术领域，具体涉及气动微液滴发生器及其制备工艺。

背景技术

目前，随着生物、医疗、材料等科学研究领域的快速发展，对能够提供一种可控微米级液滴发生器的需求显得极为迫切。如，在生物细胞3D打印领域，需要精准可控地利用微液滴运输喷出定量细胞。在现有的3D打印技术当中，细胞依据输送方式的不同主要分为两类：微挤出式以及液滴式。微挤出式打印技术，利用机械力或气压等驱动力直接通过微喷头连续挤出生物材料和细胞构建三维生物学结构体，液滴式的打印方法主要分为热气泡式、压电式、静电式以及激光直写，对于喷墨打印的方式，无论热汽泡或者压电的驱动方法，虽然打印式精度较高，但是喷嘴直径较小，易产生堵塞。而激光直写的打印方式则打印效率较低，且系统更为的复杂，对工艺参数的要求较高。

利用以上原理设计的液滴发生器装置一般有两种，第一种如专利公告号为CN112895722A的文献描述的内容是利用针管滴液，此种液滴发生装置产生的液滴直径在2.7毫米左右，难以控制滴出液滴的尺寸；第二种如专利公告号为CN103899518A的文献描述的内容是利用压电陶瓷产生脉冲振动进而利用机械压力来喷射液滴，虽然此项技术对液滴直径大小也达到微米级控制，但是其滴落精度不高且制备工艺复杂，并且对细胞造成一定损害。

因此，设计一种能有效防止细胞损伤，且制备工艺简单，成本低廉的气动微液滴发生器及其制备工艺，就显得十分必要。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中，保护细胞在现有设备的输送过程中容易受损伤的问题，提供了一种能有效防止细胞损伤，且制备工艺简单，成本低廉的气动微液滴发生器及其制备工艺。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

气动微液滴发生器，包括进气板、底板、腔室芯板、第一超薄防水胶带和第二超薄防水胶带；所述进气板通过第一超薄防水胶带与腔室芯板粘合；所述腔室芯板通过第二超薄防水胶带与底板粘合。

作为优选，所述进气板的顶部呈矩形，所述进气板的底部呈梯形；所述进气板采用PMMA板；所述进气板的顶部边缘设有液滴输入孔；所述进气板的底部边缘设有脉冲气流孔。

作为优选，所述底板的顶部呈矩形，所述底板的底部呈梯形；所述底板采用PMMA板。

作为优选，所述腔室芯板上设有喷嘴储液腔室、喷嘴微流通道和分支脉冲通道。

作为优选，所述喷嘴储液腔的顶部呈矩形；所述喷嘴储液腔的底部呈锥形；所述喷嘴储液腔的底部与所述喷嘴微流通道相连。

作为优选，所述喷嘴微流通道含有若干个转折处。

作为优选，所述分支脉冲通道与喷嘴微流通道的连接角度为45^°。

本发明还提供了气动微液滴发生器制备工艺，包括如下步骤：

S1，对腔室芯板进行激光烧蚀，使喷嘴微流通道和分支脉冲通道成型；

S2，对喷嘴微流通道进行疏水处理；

S3，将进气板通过第一超薄防水胶带与腔室芯板粘合；将腔室芯板通过第一超薄防水胶带与底板粘合，完成气动微液滴发生器制备。

作为优选，所述激光烧蚀的移动速度为12mm/s。

作为优选，气动微液滴发生器制备工艺还包括如下步骤：

在激光烧蚀前将腔室芯板粘连第一超薄防水胶带和第一超薄防水胶带；

激光烧蚀结束后，对腔室芯板冷却，揭开第一超薄防水胶带与进气板粘合，揭开第二超薄防水胶带与底板粘合。

本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明中气动微液滴发生器制备工艺步骤简单，利用激光雕刻机雕刻相应形状，直接利用防水双面胶进行粘合，即可制作；(2)本发明制作成本低，所用材料，价格低廉且容易获取，所用加工设备简单，进一步降低成本；(3)本发明中气动微液滴发生器制备周期短，短时间内可以同时进行大量微液滴发生器雕刻，利用简单的工艺进行粘合即可投入使用。

附图说明

图1为本发明中气动微液滴发生器应用的微输送气路系统的一种原理框图；

图2为本发明中气动微液滴发生器的一种结构示意图；

图3为本发明中气动微液滴发生器内腔室的一种结构示意图。

图中：脉冲电源1、电磁阀2、第一压力表3、第一调压阀4、第二调压阀5、气泵6、第二压力表7、储液罐8、气动微液滴发生器9、进气板10、第一超薄防水胶带11、腔室芯板12、第二超薄防水胶带13、底板14、喷嘴储液腔室15、第一直流道16、缩口17、弯折流道18、第二直流道19、分支脉冲通道20。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例1：

如图1所示的微输送气路系统，包含脉冲电源1、储液罐8、气泵6(3.7V微型负压泵)、第一调压阀4、第二调压阀5(SMINI-SX20调压阀，耐压100KPa)、第一压力表3、第二压力表7(量程100KPa)、电磁阀2(6V微型电磁水阀)以及本发明中的气动微液滴发生器9。

微输送气路系统分为两条，一条经由气泵到第一调压阀再到电磁阀给气动微液滴发生器的进气口供气，另一条由气泵出发经由第二调压阀调压，为储液罐内提供一定的气压，气体压力将储液罐中的细胞悬浮液压入气动微液滴发生器的进液口。气路系统中的电磁阀为单向电磁阀，电磁阀在脉冲电流的作用下间歇开断形成气体脉冲，进而驱动喷嘴喷出微液滴。

如图2和图3所示的气动微液滴发生器，包括进气板10、底板14、腔室芯板12、第一超薄防水胶带11和第二超薄防水胶带13；所述进气板通过第一超薄防水胶带与腔室芯板粘合；所述腔室芯板通过第二超薄防水胶带与底板粘合。

进一步的，所述进气板的顶部呈矩形，所述进气板的底部呈梯形；所述进气板采用PMMA板；所述进气板的顶部边缘设有液滴输入孔；所述进气板的底部边缘设有脉冲气流孔。

进一步的，所述底板的顶部呈矩形，所述底板的底部呈梯形；所述底板采用PMMA板。

进一步的，所述腔室芯板上设有喷嘴储液腔室15、喷嘴微流通道和分支脉冲通道20。

进一步的，所述喷嘴储液腔的顶部呈矩形；所述喷嘴储液腔的底部呈锥形；所述喷嘴储液腔的底部与所述喷嘴微流通道相连。

进一步的，所述喷嘴微流通道含有若干个转折处。

进一步的，所述分支脉冲通道与喷嘴微流通道的连接角度为45°。

另外，喷嘴微流通道为一细长通道包括第一直流道16、缩口17、弯折流道18、第二直流道19。第一直流通道一端与喷嘴储液腔室相连，另一端与缩口相连。流道设计宽度为0.4mm，深度为0.4mm。缩口为一个圆弧通道，孔径大小为第一直流通道的直径大小的一半，缩口一端与第一直流通道相连，另一端与弯折流道相连。弯折流道有两个弯折角，且弯折角度为90°，孔径大小与第一直流通道的直径相同，弯折流道一端与缩口相连，弯折流道另一端与第二直流道相连。第二直流通道一端与弯折流道相连，第二直流通道另一端为出液口，在其一侧与分支脉冲通道相连。

进一步的，分支脉冲通道与第二直流通道一侧相连，且呈45°。

进一步的，第一超薄防水胶带与所述进气板轮廓形状相同，且内部开有一矩形区。

进一步的，第二超薄防水胶带与所述进气板轮廓形状也相同，且内部切开形状与腔室芯板相同且对应。

进一步的，进气板、腔室芯板、底板形成一个三层结构的喷嘴整体，且进气板与腔室芯板之间由第一超薄防水胶带粘接；腔室芯板与底板由第二超薄防水胶带粘接。

基于实施例1，本发明还提供了气动微液滴发生器制备工艺，包括如下步骤：

S1，对腔室芯板进行激光烧蚀，使喷嘴微流通道和分支脉冲通道成型；

S2，对喷嘴微流通道进行疏水处理；

S3，将进气板通过第一超薄防水胶带与腔室芯板粘合；将腔室芯板通过第一超薄防水胶带与底板粘合，完成气动微液滴发生器制备。

进一步的，所述激光烧蚀的移动速度为12mm/s。

进一步的，气动微液滴发生器制备工艺还包括如下步骤：

在激光烧蚀前将腔室芯板粘连第一超薄防水胶带和第一超薄防水胶带；

激光烧蚀结束后，对腔室芯板冷却，揭开第一超薄防水胶带与进气板粘合，揭开第二超薄防水胶带与底板粘合。

另外，微液滴发生器流道模型需要CAD软件绘制并确定好具体尺寸，将其导入激光切割机中。

激光切割的芯板为PMMA板，芯板厚度尺寸选用为0.5mm，芯板需要进行事先处理，用防水双面胶将其两面粘连。粘连过程中使用刮板，固定腔室芯板情况下，缓慢连续刮过双面胶粘合部分，刮出气泡，防止粘合过程中的产生的气泡影响加工精度。

激光雕刻机功率调值时，初始值应较低，利用低功率雕刻，使得PMMA板以及表面粘合的双面胶一同烧蚀，去除表面多余材料，雕刻出气动微液滴发生器内的喷嘴微流通道。

低功率雕刻结束后，将雕刻机激光头移动速度调整为12mm/s,激光功率重新调整。

激光功率调整为12％，规划气动微液滴发生器轮廓，进行腔室芯板轮廓切割，接着进行气动微液滴发生器的左侧板和右侧板轮廓切割。

静置后的腔室芯板将其两侧防水双面胶保护膜揭开，利用两侧粘性将切割的左侧板与腔室芯板粘合，同样的，右侧板也与腔室芯板粘合。

粘合后喷嘴微流通道进行疏水处理，采用疏水化学用剂对喷嘴口进行浸泡，疏水剂没过喷嘴口，浸泡时长为一分钟左右，接着使用吹风机对喷嘴口进行风干处理。

加工完成后的喷嘴微流通道需要在进液口以及进气口钉入空心钢针，利用液体胶水将钢针固定，保证钢针不脱离。

本发明气动微液滴发生器的具体使用方法为微输送气路系统为本发明提供周期性脉冲气流源，如图2，具体情况为使气动微液滴发生器在充压状态下通过所述腔室芯板的分支脉冲通道来进入到所述喷嘴微流通道的流道。此时，在流道中，气压将通道充满的液体分开、使液体不连接。进而待滴液体在靠近出液口一端形成液滴，在脉冲气流源与液滴重力的作用下被滴出。

当周期性脉冲气流处于释压状态时，所述喷嘴微流通道中待滴出液体，在上述状态后，又慢慢流到出液口一端，且待滴液体充满直流道。

重复上述两种状态进行周期性运动，使得本发明微液滴输送机构能够周期性的滴出微型液滴。

本发明的工作原理如下：第一直流道设计宽度为0.4mm，深度为0.4mm。此处借用温度计缩口防水银回流的原理，此处在微流道的后端中设计圆弧缩口，圆弧缩口半径为2mm，圆弧缩口处第二直流道宽度为第一直流道宽度的一半，为0.2mm，同时第一直流道设置多个弯折流道，更进一步防止气体回流，同时也能减慢液体流速，微通道中的液滴生成更为可控。同时根据流道空间布置以及喷嘴尺寸的限制，分支脉冲通道与第二直流道呈45°夹角分布，一定的夹角存在也能更好阻止气体的回流。

微输送气路系统为本发明气动微液滴发生器提供周期性脉冲气流源，当气体经由分支脉冲通道进入喷嘴微流通道内，在与液体接触时对液体形成挤压变形，液面变形到一定程度之后，气体最后会截断液柱，截断后的液柱在气压的作用下从喷嘴喷出，形成微液滴。

本发明中气动微液滴发生器制备工艺步骤简单，利用激光雕刻机雕刻相应形状，直接利用防水双面胶进行粘合，即可制作；本发明制作成本低，所用材料，价格低廉且容易获取，所用加工设备简单，进一步降低成本；本发明中气动微液滴发生器制备周期短，短时间内可以同时进行大量微液滴发生器雕刻，利用简单的工艺进行粘合即可投入使用。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.气动微液滴发生器，其特征在于，包括进气板、底板、腔室芯板、第一超薄防水胶带和第二超薄防水胶带；所述进气板通过第一超薄防水胶带与腔室芯板粘合；所述腔室芯板通过第二超薄防水胶带与底板粘合。

2.根据权利要求1所述的气动微液滴发生器，其特征在于，所述进气板的顶部呈矩形，所述进气板的底部呈梯形；所述进气板采用PMMA板；所述进气板的顶部边缘设有液滴输入孔；所述进气板的底部边缘设有脉冲气流孔。

3.根据权利要求1所述的气动微液滴发生器，其特征在于，所述底板的顶部呈矩形，所述底板的底部呈梯形；所述底板采用PMMA板。

4.根据权利要求1所述的气动微液滴发生器，其特征在于，所述腔室芯板上设有喷嘴储液腔室、喷嘴微流通道和分支脉冲通道。

5.根据权利要求4所述的气动微液滴发生器，其特征在于，所述喷嘴储液腔的顶部呈矩形；所述喷嘴储液腔的底部呈锥形；所述喷嘴储液腔的底部与所述喷嘴微流通道相连。

6.根据权利要求4所述的气动微液滴发生器，其特征在于，所述喷嘴微流通道含有若干个转折处。

7.根据权利要求4所述的气动微液滴发生器，其特征在于，所述分支脉冲通道与喷嘴微流通道的连接角度为45^°。

8.基于权利要求4所述的气动微液滴发生器的气动微液滴发生器制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1，对腔室芯板进行激光烧蚀，使喷嘴微流通道和分支脉冲通道成型；

S2，对喷嘴微流通道进行疏水处理；

S3，将进气板通过第一超薄防水胶带与腔室芯板粘合；将腔室芯板通过第一超薄防水胶带与底板粘合，完成气动微液滴发生器制备。

9.根据权利要求8所述的气动微液滴发生器制备工艺，其特征在于，所述激光烧蚀的移动速度为12mm/s。

10.根据权利要求8所述的气动微液滴发生器制备工艺，其特征在于，还包括如下步骤：

在激光烧蚀前将腔室芯板粘连第一超薄防水胶带和第一超薄防水胶带；

激光烧蚀结束后，对腔室芯板冷却，揭开第一超薄防水胶带与进气板粘合，揭开第二超薄防水胶带与底板粘合。

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