CN115157658B - 一种微流控3d液滴打印制备二进制编码液滴阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流控3D液滴打印制备二进制编码液滴阵列的方法。编码液滴阵列的高通量制备要求对多种不同成分液滴进行处理。然而，传统3D打印技术主要聚焦在增材制造，难以满足对液体成分灵活操控的需求。本发明通过数字化程序控制注射器的定量吸取和挤出功能，开发新型微流控3D液滴打印技术，可实现从外置液体储存容器中吸取液体，在目标位置完成微量液滴的打印等多重功能，结合二进制编码组合方法，可快速设计制备二进制编码液滴阵列。本发明提出的利用微流控3D液滴打印制备的二进制编码组合液滴阵列，可用于不同组合试剂的高通量筛选，在化学、材料学和生物医学等领域展现了广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及液体打印技术领域，具体涉及一种微流控3D液滴打印制备二进制编码液滴阵列的方法。
背景技术
微量液滴组合的高通量制备在材料制备、化学分析、生物医学等方面具有广泛的应用。例如，针对质谱细胞流式的标记物开发，对标记物试剂进行组合，可以有效提高用于编码细胞的标签数量，通过混合标记后的细胞，使用质谱细胞流式检测实现药物的高通量筛选。当标记物试剂仅为4种时，其组合形式最多有24＝16种。若进一步增加标记物试剂种数，组合形式则将呈幂次量级上升。然而，高通量配制标记物编码组合阵列时往往操作繁琐，这也导致已开发的编码组合标记物数量非常有限。
传统3D打印技术主要聚焦在增材制造，难以满足对液体成分灵活操控的需求。为解决这一问题，3D液体打印技术基于传统熔融沉积式3D打印，与液体进给机构相结合，为微量液体的自动化操控提供了一种可行方案。然而，现有3D液体打印平台主要存在两个问题：一是功能较为单一，仅能完成液体的打印功能；二是打印成分有限，多成分打印通常需要额外附加多个打印喷头和内置样品储存槽，使得3D打印硬件系统复杂化，使用难度提高。因此，采用新型微流控3D液滴打印技术，通过进一步赋予3D液体打印平台多样化功能，如微量液体的吸取、挤出、喷头清洗等，可以极大地提高液体打印的灵活性。结合数字化程序路径和二进制编码设计，可以有效地实现液体的灵活操控和高通量处理，为材料设计、产品研发等提供便利，在化学、材料学和生物医学等领域展现了广阔的应用前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种微流控3D液滴打印制备二进制编码液滴阵列的方法。为实现微流控3D液滴打印系统上多成分微量液体的吸取、挤出、喷头清洗等多种功能，本发明通过设计数字化程序，调节注射剂泵的回复和推进距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的外拉或内推，结合三维移动打印系统，使打印喷头在盛装所需液体成分的外置液体储存容器中，吸取定量液体，移动至目标位置打印。单成分液滴阵列打印结束后，移动打印喷头至清洗槽中，清洁打印喷头。根据所需打印液体的成分种类，进行新成分液滴阵列打印，实现对微量液体的灵活操控及多成分编码液滴阵列的高通量制备。
本发明的技术方案如下：
一种微流控3D液滴打印制备二进制编码液滴阵列的方法，所述方法利用微流控3D液滴打印系统进行打印，所述微流控3D液滴打印系统包括三维移动打印系统、压力控制进给机构、打印喷头、外置液体储存容器、液滴打印基板和喷头清洗槽；所述的三维移动打印系统包括X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴升降平台；其中，X轴移动机构、Y轴移动机构用于实现所述打印喷头在XY平面内的移动；所述的Z轴升降平台用于调控液滴打印基板在Z轴方向上的移动；所述的打印喷头作为打印液体的吸取和挤出通道；所述的压力控制进给机构用于调控打印液体的定量吸取和挤出；所述打印喷头通过导管与压力控制进给机构相连；所述的外置液体储存容器用于储存打印液体原料；所述液滴打印基板用于盛放二进制编码液滴阵列；所述喷头清洗槽用于打印喷头的清洁。
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将打印喷头通过导管与压力控制机构连接；
(2)选取所需打印液体，盛装于外置液体储存容器中；
(3)根据所需打印的二进制编码液滴阵列，设定数字化3D液滴打印路径，编码为0位置将空置或打印空白液滴，编码为1位置将打印液体原料；通过X轴移动机构、Y轴移动机构控制打印喷头在XY平面内的移动，通过Z轴升降平台控制液滴打印基板在Z轴方向上的移动，从而使三维移动打印系统上的打印喷头按数字化3D液滴打印路径运动；
(4)移动打印喷头至外置液体储存容器中，调节压力控制机构的回复距离，使打印喷头在外置液体储存容器中定量吸取液体，吸取体积多于将打印液滴体积；
(5)根据设定数字化3D液滴打印路径，移动打印喷头至液滴打印基板，在目标位置停顿，调节压力控制机构的推进距离，使打印喷头在液滴打印基板上定量挤出液体；等待液体挤出后，打印喷头再移动到下一打印位置；
(6)重复步骤(4)和(5)，直至完成单种成分的二进制编码液滴阵列的打印；
(7)单种成分的二进制编码液滴阵列打印完毕后，移动打印喷头至清洗槽中，控制压力控制机构进行循环回复和推进动作，冲洗打印喷头。
所述单种成分的二进制编码液滴阵列打印完毕后，当需要打印多种不同成分组成的二进制编码液滴阵列时，则在步骤(7)完成喷头清洁后，在新的液滴打印基板上重复步骤(3)-(7)，得到其他成分的二进制编码液滴阵列；将不同成分的二进制编码液滴阵列中对应位置的液滴进行对应混合，即得不同成分组成的二进制编码液滴阵列。
所述单种成分的二进制编码液滴阵列进行组合时，对应位置的液滴进行对应混合采用的方法为镜像盖板法，即依次将其他成分的二进制编码液滴阵列镜像叠加在第一种成分的二进制编码液滴阵列上混合。
编码为0位置可空置或打印空白液滴；当打印空白液滴时，打印液体为等量去离子水；空白液滴的打印时机为在编码为1位置的液滴开始打印之前完成全部空白液滴的打印或在编码为1位置的液滴全部打印完成之后进行空白液滴的打印。
优选的，在步骤(1)中，所述打印喷头为微流控玻璃毛细管，流控玻璃毛细管的一端处理成尖锥状，尖锥端端口平整，直径为0.1-0.5mm。
优选的，在步骤(1)中，所述的压力控制机构为注射泵及其所固定连接的注射器。所述注射泵为LongerPump LSP01-1A型号微量注射泵，所述注射器的螺口针筒的容量为1mL。
优选的，在步骤(2)中，所述的打印液体的材料可以为水相或油相，黏度<50Pa·s均可。
优选的，在步骤(5)中，所述打印基板为玻璃板或亚克力塑料板；打印过程中，打印喷头与打印基板距离设置为0.5-2mm；液滴打印过程为：将打印喷头移动至目标打印位置后，液滴从喷头挤出，并可接触式浸润打印基板；然后提升喷头，喷头提升时，液滴在基板浸润力拖拽下从喷头脱离，完成目标位置的液滴打印。
优选的，在步骤(7)中，所述清洗槽装有去离子水。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提出一种微流控3D液滴打印高通量制备编码液滴阵列的方法，该方法简便易行，微量液滴的成分、体积和位置可精准设计，打印速率可调控。
(2)传统3D打印技术的功能较为单一，仅能实现液体的打印功能，难以满足对液体材料多样化控制的需求。本发明在传统3D打印技术基础上，以数字化程序控制打印路径，以及压力进给机构的回复和挤出距离，来外拉和内推注射器活塞，实现微量液体的吸取和挤出功能，对微量液体进行灵活处理。
(3)在传统3D打印技术中，内置原料储存容器与打印喷头一对一固定连接。因此增加打印成分需要对打印系统进行固件改装，额外附加多个打印喷头和内置原料储存容器，使得打印硬件系统复杂化、装置成本增加、使用难度提高。本发明可根据液滴组合所需的成分种类，自由更改外置液体储存容器的数量，通过设计数字化程序路径，控制打印喷头在对应外置液体储存容器中吸取液体原料，进行后续液滴阵列打印。因此相较于传统3D打印，本发明所提供的微流控3D打印硬件系统易于灵活调整，可以满足高通量组合液滴阵列打印需求。
(4)本发明所使用打印喷头可进行自动清洁，在多成分液体打印时避免污染不同液体储存容器中的液体原料。通过控制微流控3D打印喷头在清洗槽中的液体循环吸取/挤出次数和速度，冲洗打印喷头，使其满足所需清洁要求。
(5)本发明提出的微流控3D液滴打印技术所具有液体吸取和挤出功能。打印液滴时，根据所需打印液体体积，从外置存储容中吸取液体，减少3D液滴打印死体积，节省液体原材料。液滴阵列打印结束后，可对已打印液滴进行后处理，在目标位置增大液滴体积、添加新成分或回收液滴，根据需求对液滴的体积和成分进行灵活调节。
(6)通过调节液滴的打印间距，结合液体的挤出体积和空间位置分布，可实现液滴阵列的最优排列和组合形式，图案化设计液滴阵列。
附图说明
图1为微量液体操作平台的装置示意图。
图1中：1、压力控制机构，2、导管，3、三维移动打印系统，4、打印喷头，5、打印基板，6、外置液体存储容器，7、喷头清洗槽，8、串行接口线。
图2为单组分液滴阵列自动化打印实物图。
图2中：(a)为微量液滴打印示意图；(b)为液滴打印过程实物图；(c)为6×6单组分液滴阵列打印结果实物图。
图3为液滴阵列吸取过程图。
图3中：(a)为4×4微量液滴阵列打印结果实物图；(b)为液滴吸取过程实物图；(c)为4×4微量液滴阵列从打印基板上被完全吸取后实物图。
图4为多组分微量液滴阵列制备图。
图4中：(a)为多组分微量液滴阵列实物图；(b)为与(a)对应的多组分微量滴阵列打印设计图。“1”表示含底物液滴，“0”表示不含底物的空白液滴；
图5为多成分二进制编码液滴阵列进行组合的镜像盖板方法示意图。
图5中：(a)为4种不同成分二进制编码液滴阵列进行组合的镜像盖板方法流程图；(b)为4种不同成分二进制编码液滴阵列进行混合，对应位置液滴叠加后得到的24＝16种组合液滴阵列的原理示意图。
图6为镜像盖板方法所得多成分二进制编码组合液滴阵列的示意图和实物图。
具体实施方式
下面结合附图、附表和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种微流控3D液滴打印制备二进制编码液滴阵列的方法。该方法基于微流控3D液滴打印系统进行实施，所述微流控3D液滴打印系统由压力控制机构1，导管2，三维移动打印系统3，打印喷头4，打印基板5，外置液体存储容器6，喷头清洗槽7等组成。通过加载3D打印数字化模型文件，可以控制三维移动打印系统3上XYZ轴步进电机和压力控制机构1上注射器的推进量，精确控制液体的尺寸和空间打印位置，得到微量液滴编码组合阵列。具体的，首先移动打印喷头，将打印喷头出口浸没在盛有液体原料的外置液体储存容器中，调节注射剂泵的回复距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的外拉，在外置液体储存容器中吸取定量液体。然后将打印喷头移动到目标位置并停顿，调节注射剂泵的推进距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的内推，在液滴打印基板上挤出定量液体。等待定量液体挤出，打印喷头再移动到下一打印位置，直到完成单成分液滴阵列打印。单成分液滴阵列打印结束后，移动打印喷头至清洗槽中清洁。再根据所需打印液体成分种类，进行新成分液滴阵列打印，得到高通量多成分二进制编码液滴阵列。
实施例1：自动化制备单组分液滴阵列。
采用本发明的方法制备单组分液滴阵列，具体示例的步骤如下：
(1)将传统的熔融沉积式3D打印机上控制耗材进给的电路通过串行接口连接到注射泵控制系统上。选取微流控玻璃毛细管作为打印喷头，内径为0.55mm、外径0.95mm、长度为5cm，出口尖锥一端直径为0.5mm。打印喷头针管通过PE导管与注射剂连接，控制液体的进给和输出。
(2)将1mL水溶性颜料溶于14mL去离子水中，得到单组分液体原料，装于20mL容量小玻璃瓶中作为外置溶液存储容器，然后将玻璃瓶放置在Z轴平台上。选取2cm×2cm盖玻片作为玻璃基板，放置在Z轴平台上。
(3)通过编写数字模型文件控制3D打印机工作进程，将打印喷头浸入外置溶液储存容器中，调节注射剂泵的回复距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的外拉，在外置液体储存容器中吸取定量液体。
(4)然后将打印喷头移动到玻璃基板上目标位置并停顿，调节注射剂泵的推进距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的内推，在液滴打印基板上挤出定量液体。等待定量液体挤出，打印喷头再移动到下一打印位置。
(5)重复步骤(4)，如图2所示，得到6×6单组分液滴阵列。阵列中液滴大小均匀，排布有序。
实施例2：液滴阵列的吸取回收。
采用本发明的方法吸取回收液滴阵列，具体步骤如下：
(1)将传统的熔融沉积式3D打印机上控制耗材进给的电路通过串行接口连接到注射泵控制系统上。选取微流控玻璃毛细管作为打印喷头，内径为0.55mm、外径0.95mm、长度为5cm，出口尖锥一端直径为0.5mm。打印喷头针管通过PE导管与注射剂连接，控制液体的进给和输出。
(2)将1mL水溶性颜料溶于14mL去离子水中，得到单组分液体原料，装于小玻璃瓶中作为外置溶液存储容器，然后将玻璃瓶放置在Z轴平台上。选取2cm×2cm盖玻片作为玻璃基板，放置在Z轴平台上。
(3)通过编写数字模型文件控制3D打印机工作进程，将打印喷头浸入在外置溶液储存容器中，调节注射剂泵的回复距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的外拉，在外置液体储存容器中吸取定量液体。
(4)然后将打印喷头移动到玻璃基板上目标位置并停顿，调节注射剂泵的推进距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的内推，在液滴打印基板上挤出定量液体。等待定量液体挤出，打印喷头再移动到下一打印位置。
(5)重复步骤(4)，如图3中的(a)所示，得到4×4单组分液滴阵列。
(6)将打印喷头移动到玻璃基板上目标位置并停顿，调节注射剂泵的回复距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的外拉，在液滴打印基板上吸取定量液体，如图3中的(b)所示。等待液体吸取结束，打印喷头再移动到下一目标位置。
(7)重复步骤(6)，如图3中的(c)所示，玻璃基板上4×4液滴阵列被吸取回收，表明本发明的方法具有灵活的液体吸取功能。
实施例3：高通量制备多组分编码液滴阵列。
采用本发明的方法高通量制备多组分编码液滴阵列，具体步骤如下：
(1)将传统的熔融沉积式3D打印机上控制耗材进给的电路通过串行接口连接到注射泵控制系统上。选取微流控玻璃毛细管作为打印喷头，内径为0.55mm、外径0.95mm、长度为5cm，出口尖锥一端直径为0.5mm。打印喷头针管通过PE导管与注射剂连接，控制液体的进给和输出。
(2)将4种呈不同颜色的1mL水溶性颜料分别溶于14mL去离子水中，装于20mL容量小玻璃瓶中，得到多组分液体原料A、B、C、D。对应图4中的(a)所示，将上述盛有液体原料的小玻璃瓶放置在Z轴平台上。将15mL去离子水中装于20mL容量小玻璃瓶中作为空白组分。选取4片2cm×2cm亚克力塑料片作为打印基板，放置在Z轴平台上。
(3)将15mL去离子水装于20mL容量小玻璃瓶中，作为喷头清洗槽，然后将玻璃瓶放置在Z轴平台上。
(4)通过编写数字模型文件控制3D打印机工作进程，将打印喷头浸入在空白成分外置溶液储存容器中，调节注射剂泵的回复距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的外拉，在外置液体储存容器中吸取定量液体。
(5)然后将打印喷头移动到打印基板上目标位置并停顿，调节注射剂泵的推进距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的内推，在液滴打印基板上挤出定量液体。等待定量液体挤出，打印喷头再移动到下一打印位置。
(6)重复步骤(5)，得到对应图4中的(b)，标记“0”位置的为空白组分液滴阵列。
(7)将打印喷头浸入在溶有水溶性染料的外置溶液储存容器中，调节注射剂泵的回复距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的外拉，在外置液体储存容器中吸取定量液体。
(8)将打印喷头移动到打印基板上目标位置并停顿，调节注射剂泵的推进距离，控制其所固定连接的注射器上活塞的内推，在液滴打印基板上挤出定量液体。等待定量液体挤出，打印喷头再移动到下一打印位置。
(9)重复步骤(8)，成分为A的液滴阵列打印结束后，移动打印喷头至清洗槽中。通过控制微流控3D打印喷头在清洗槽中的液体循环吸取/挤出次数和速度，冲洗打印喷头，直至水溶性颜料清洗干净。
(10)重复步骤(7)-(9)，对应图4中的(b)标记“1”位置，进行新成分液滴阵列打印。如图4中的(b)所示，依次得到成分为B、C、D的液滴阵列。
(11)对应流程图5所示，通过镜像盖板方法，依次将液滴阵列B、C、D镜像叠加在阵列A上混合，即可得到24＝16种组合液滴阵列。其中阵列B’、C’、D’依次为阵列B、C、D的左右镜像。混合后的液滴阵列实物图如图6所示，不同组合液滴混合后显示明显颜色差异，表明本发明的方法可用于高通量制备多成分二进制编码组合液滴阵列。
Claims (9)
1.一种微流控3D液滴打印制备二进制编码液滴阵列的方法，其特征在于，所述方法利用微流控3D液滴打印系统进行打印，所述微流控3D液滴打印系统包括三维移动打印系统、压力控制进给机构、打印喷头、外置液体储存容器、液滴打印基板和喷头清洗槽；所述的三维移动打印系统包括X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴升降平台；其中，X轴移动机构、Y轴移动机构用于实现所述打印喷头在XY平面内的移动；所述的Z轴升降平台用于调控液滴打印基板在Z轴方向上的移动；所述的打印喷头作为打印液体的吸取和挤出通道；所述的压力控制进给机构用于调控打印液体的定量吸取和挤出；所述打印喷头通过导管与压力控制进给机构相连；所述的外置液体储存容器用于储存打印液体原料；所述液滴打印基板用于盛放二进制编码液滴阵列；所述喷头清洗槽用于打印喷头的清洁；
所述方法包括以下步骤：
(1)将打印喷头通过导管与压力控制进给机构连接；
(2)选取所需打印液体，盛装于外置液体储存容器中；
(3)根据所需打印的二进制编码液滴阵列，设定数字化3D液滴打印路径，编码为0位置将空置或打印空白液滴，编码为1位置将打印液体原料；通过X轴移动机构、Y轴移动机构控制打印喷头在XY平面内的移动，通过Z轴升降平台控制液滴打印基板在Z轴方向上的移动，从而使三维移动打印系统上的打印喷头按数字化3D液滴打印路径运动；
(4)移动打印喷头至外置液体储存容器中，调节压力控制进给机构的回复距离，使打印喷头在外置液体储存容器中定量吸取液体，吸取体积多于将打印液滴体积；
(5)根据设定数字化3D液滴打印路径，移动打印喷头至液滴打印基板，在目标位置停顿，调节压力控制进给机构的推进距离，使打印喷头在液滴打印基板上定量挤出液体；等待液体挤出后，打印喷头再移动到下一打印位置；
(6)重复步骤(4)和(5)，直至完成单种成分的二进制编码液滴阵列的打印；
(7)单成分微量液滴阵列打印完毕后，移动打印喷头至清洗槽中，控制压力控制进给机构进行循环回复和推进动作，冲洗打印喷头。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当需要打印多种不同成分组成的二进制编码液滴阵列时，则在步骤(7)完成喷头清洁后，在新的液滴打印基板上重复步骤(3)-(7)，得到其他成分的二进制编码液滴阵列；
将不同成分的二进制编码液滴阵列中对应位置的液滴进行对应混合，即得不同成分组成的二进制编码液滴阵列。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将不同成分的二进制编码液滴阵列中对应位置的液滴进行对应混合采用的方法为镜像盖板法，即依次将其他成分的二进制编码液滴阵列镜像叠加在第一种成分的二进制编码液滴阵列上混合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，编码为0位置可空置或打印空白液滴；当打印空白液滴时，打印液体为等量去离子水；空白液滴的打印时机为在编码为1位置的液滴开始打印之前完成全部空白液滴的打印或在编码为1位置的液滴全部打印完成之后进行空白液滴的打印。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打印喷头为微流控玻璃毛细管，流控玻璃毛细管的一端处理成尖锥状，尖锥端端口平整，直径为0.1-0.5mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的压力控制进给机构为注射泵及其所固定连接的注射器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的打印液体的材料可为水相或油相，黏度<50Pa·s。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液滴打印基板为玻璃板或亚克力塑料板；打印过程中，打印喷头与液滴打印基板距离设置为0.5-2mm；液滴打印过程为：将打印喷头移动至目标打印位置后，液滴从喷头挤出，并可接触式浸润液滴打印基板；然后提升喷头，喷头提升时，液滴在基板浸润力拖拽下从喷头脱离，完成目标位置的液滴打印。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷头清洗槽装有去离子水。
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