本發(fā)明涉及微量液滴傳輸和分配領(lǐng)域，尤其是涉及一種能夠分配含有生物活性材料的多通道微量液滴產(chǎn)生和分配系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微量液滴在現(xiàn)在科技中具有巨大的應(yīng)用空間。在生物制造、電子封裝、膠水噴涂以及一些微滴成型快速制造技術(shù)領(lǐng)域中都涉及到如何將微量液體產(chǎn)生和分配到指定位置上。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，微量液滴的使用趨向于體積小，數(shù)量多，精度高的方向發(fā)展。尤其伴隨著生命科學(xué)、組織工程和生物芯片等領(lǐng)域的快速發(fā)展，如何高精度、快速度、高重復(fù)性地實(shí)現(xiàn)μl到pl量級(jí)且含有生物活性材料的微量液滴的產(chǎn)生和分配得到了越來越多科學(xué)工作者的關(guān)注。

現(xiàn)有常見的微量液滴產(chǎn)生和分配方式主要分為兩類：接觸式和非接觸式。接觸式點(diǎn)樣速度快，工作效率高，但是液滴受到的剪切作用力大，對(duì)于組織工程中含有生物活性材料的微量液滴具有較大損傷。非接觸式主要包括熱氣泡噴射、微閥控制和壓電噴射三種方法。熱氣泡法在分配過程中會(huì)產(chǎn)生瞬間高溫、高壓或瞬間強(qiáng)靜電場(chǎng)，對(duì)液滴中可能含有的生物活性材料不利。基于交變滯慣力的微滴噴射設(shè)備利用微噴管產(chǎn)生非對(duì)稱的往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生液滴噴射驅(qū)動(dòng)，這種方法不產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫高壓，不會(huì)對(duì)具有生物活性材料帶來不利的影響。但是現(xiàn)有的基于交變滯慣力微滴噴射技術(shù)的進(jìn)樣方式是用注射器將液體試樣從玻璃微噴管后端注入，主要缺點(diǎn)是連續(xù)性差，即一次加入只可噴射較短暫的一段時(shí)間，不具有噴射的可持續(xù)性；此外，當(dāng)前方法只可以實(shí)現(xiàn)加樣，不能實(shí)現(xiàn)退樣，而且工作過程中多為單流道工作狀態(tài)，在針對(duì)諸如微孔板轉(zhuǎn)移等需要高通量液體轉(zhuǎn)移 的情況中存在工作速度慢、效率低、穩(wěn)定性差的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的細(xì)胞打印設(shè)備中存在的進(jìn)樣連續(xù)性差、噴頭數(shù)目單一導(dǎo)致微滴噴射效率較低的缺陷，本發(fā)明提供一種多噴頭、多管道的微滴噴射設(shè)備。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明中，所述微滴噴射設(shè)備包括瓶口密封的儲(chǔ)液瓶，插入所述儲(chǔ)液瓶?jī)?nèi)的氣體導(dǎo)管，通過多個(gè)導(dǎo)液管與所述儲(chǔ)液瓶相連的多個(gè)微噴管，用于固定所述微噴管和控制所述微噴管運(yùn)動(dòng)的微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，位于所述多個(gè)微噴管下方的三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；還包括用于控制所述微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)。

本發(fā)明中，所述多個(gè)導(dǎo)液管與一個(gè)儲(chǔ)液瓶相連或者與多個(gè)儲(chǔ)液瓶分別相連。本發(fā)明的導(dǎo)液管可與多個(gè)儲(chǔ)液瓶相連，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同種類流體的噴射。

本發(fā)明中，所述微噴管的噴口的直徑d_nozzle滿足1d_cell<d_nozzle<2d_cell，其中d_cell為所述細(xì)胞懸浮液中的單細(xì)胞直徑，d_nozzle滿為噴頭出口處內(nèi)直徑。一般情況設(shè)置5～10個(gè)微噴管，當(dāng)需要更多微噴管時(shí)可通過二維空間排布以及光刻噴頭組件的方式來增加流道數(shù)量。用光刻硅片來代替微噴管，在微量液滴分配的過程中，有限的噴射組件空間可以形成更加密實(shí)的噴射口，在一次操作中可以實(shí)現(xiàn)更多微量液滴的形成與分配，實(shí)現(xiàn)更高能量的液滴分配。

本發(fā)明中，所述微噴管所述微噴管的材質(zhì)為玻璃。

本發(fā)明中，所述控制系統(tǒng)包括用于控制所述微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制器，用于控制三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的三維運(yùn)動(dòng)控制器和控制所述述微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制器和三維運(yùn)動(dòng)控制器的工控機(jī)。所述工控機(jī)分別對(duì)三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出指令 以控制所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和所述微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明中，還包括用于觀察液滴分配情況的攝像裝置。在微量液滴分配后檢測(cè)需分配位置的分配情況；根據(jù)檢測(cè)到的分配情況進(jìn)行反饋和補(bǔ)充，以提高分配的成品率。優(yōu)選地，該攝像裝置可為CCD攝像機(jī)，具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、體積小、壽命長(zhǎng)、抗震動(dòng)的特點(diǎn)。

本發(fā)明的另一目的是保護(hù)利用所述噴射設(shè)備進(jìn)行液滴分配的方法，包括如下步驟：

1)將待分配液體注入所述儲(chǔ)液瓶中；

2)通過所述氣體導(dǎo)管向所述待分配液中通入氣體，推動(dòng)所述待分配液體經(jīng)過導(dǎo)液管進(jìn)入所述多個(gè)微噴管中；

3)利用所述微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在所述多個(gè)微噴管上執(zhí)行預(yù)定的往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，且在此過程中三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由工控機(jī)驅(qū)動(dòng)三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器進(jìn)行特定路徑的X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，將液滴分配在預(yù)定位置上；

4)如果需要繼續(xù)分配所述流體的液滴，則利用所述多個(gè)微噴管重復(fù)所述步驟3)，直至完成所有預(yù)定位置上的分配。

利用調(diào)節(jié)儲(chǔ)液瓶氣壓的方式既可進(jìn)行進(jìn)液，也可進(jìn)行退液，利用調(diào)節(jié)儲(chǔ)液瓶氣壓的方式供液、退液原理如下：供液時(shí)，向所述儲(chǔ)液瓶注氣后增大儲(chǔ)液瓶中所述待分配液體受到的氣壓，所述氣壓大于大氣壓力，將液體從儲(chǔ)液瓶中推動(dòng)至微噴管內(nèi)；打印過程中，到達(dá)微噴管的液體，由于所述微噴管內(nèi)徑較小，受到較大的毛細(xì)作用力，在分配過程中，由所述氣壓與所述毛細(xì)作用力提供液體自動(dòng)補(bǔ)充的驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)所述待分配液體的連續(xù)分配過程；退液時(shí)，從所述儲(chǔ)液瓶中抽氣減小所述待分配液體受到的氣壓，所述氣壓遠(yuǎn)小于大氣壓力，所述大氣壓力克服毛細(xì)作用力和所述氣壓將液體推回儲(chǔ)液瓶中，完成退液，完成對(duì)細(xì)胞液的吸取。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的含有生物活性材料的微量液滴在進(jìn)行上述 的步驟前，應(yīng)將微噴管、往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)液管和儲(chǔ)液瓶放入到無菌腔室內(nèi)進(jìn)行滅菌處理，以保證上述步驟是在無菌的環(huán)境下進(jìn)行，避免細(xì)菌對(duì)生物材料的污染，保證生物材料的活性和性狀。在針對(duì)其他不同的待分配液體時(shí)，可按照相關(guān)液體的具體情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行潤(rùn)濕、消毒等處理。

該所需的打印位置可位于空氣介質(zhì)中、液體介質(zhì)中或凝膠介質(zhì)中。同時(shí)，在將待分配液體分配到指定位置時(shí)，微噴管可以懸于基板上方一定高度，也可插入網(wǎng)格空洞中進(jìn)行液滴的分配。

本發(fā)明中，在所述步驟3)中，所述微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)所述微噴管產(chǎn)生非對(duì)稱的往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生液滴噴射驅(qū)動(dòng)，其中所述非對(duì)稱往復(fù)運(yùn)動(dòng)是指微噴管在壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下做去程和返程加速度不同的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一般來說，返程加速度要大于去程加速度，從而呈現(xiàn)去程和返程運(yùn)動(dòng)位移-時(shí)間曲線不對(duì)稱的情況；且微噴管的非對(duì)稱往復(fù)式運(yùn)動(dòng)獨(dú)立于三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，二者均受控于各自的控制器，而各自的控制器則由輸入工控機(jī)的打印程序驅(qū)動(dòng)控制。

利用交變滯慣力進(jìn)行的微量液滴產(chǎn)生和分配過程的原理如下：充滿待分配液體的微噴管在往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)微噴管首先向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，待分配液體與微噴管的內(nèi)壁之間的粘滯力作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)微噴管內(nèi)待分配液體向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，而待分配液體自身的慣性力作為阻力阻礙其向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)微噴管接著向正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性力與黏滯力的作用效果與向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)恰好相反。如果通過控制微噴管運(yùn)動(dòng)的加速度和加速度的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)當(dāng)微噴管向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)作為阻力的慣性力較小，而當(dāng)微噴管向正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)作為動(dòng)力的慣性力較大，那么在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，待分配液體相對(duì)于微噴管就要產(chǎn)生一段沿負(fù)方向的位移，從而形成待分配液體的微量液滴并滴落在指定位置處。

本發(fā)明中，在所述步驟3)中，通過控制所述微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)的電壓、頻率和驅(qū)動(dòng)波形可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微量液滴的速度和直徑的參數(shù)的調(diào)控。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是保護(hù)本發(fā)明所述的多噴頭、多通道微滴噴射設(shè)備在微量液滴的產(chǎn)生與分配領(lǐng)域的應(yīng)用；本發(fā)明所述的設(shè)備尤其適于在含有生物活性物質(zhì)的領(lǐng)域的應(yīng)用，該生物活性物質(zhì)包括細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA等。其具體應(yīng)用實(shí)例包括向6、12、24、96及更多的生物培養(yǎng)板的轉(zhuǎn)移、生物芯片的制備、細(xì)胞打印等需要μL和ρL量級(jí)的生物活性微量液滴的打印的場(chǎng)合；還可應(yīng)用于具有微量液滴產(chǎn)生與分配的工業(yè)領(lǐng)域，該分配液滴根據(jù)不同的工業(yè)需要選擇不同的材料，包括膠水、焊接等。

(三)有益效果

1)本發(fā)明所述的裝置，通過加大儲(chǔ)液瓶?jī)?nèi)的壓力來實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣，操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣；

2)本發(fā)明所述的方法，可通過減少儲(chǔ)液瓶?jī)?nèi)的壓力來實(shí)現(xiàn)退樣，使用的過程中操作方便；可大大提高效率；

3)本發(fā)明的液滴產(chǎn)生和分配方法，采用的多個(gè)微噴管數(shù)量在5～10個(gè)，進(jìn)一步地，可以通過二維空間排布的方式可以實(shí)現(xiàn)更高的微噴管的數(shù)量，使得一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成多個(gè)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)在本發(fā)明中，可采用拉制后的玻璃電極作為微噴管，降低了噴頭組件的復(fù)雜程度，在使用、維護(hù)與更換上降低了成本；同時(shí)，由于本發(fā)明的液滴產(chǎn)生和分配方法，通過氣壓和多個(gè)微噴管的毛細(xì)作用力實(shí)現(xiàn)待分配液體的供液、補(bǔ)液和退液，在分配過程中不產(chǎn)生接觸污染，節(jié)省材料，且不需附加的補(bǔ)液裝置，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

5)本發(fā)明所述微滴噴射設(shè)備通過利用液體的黏滯力和慣性力交替地作為動(dòng)力即利用交變滯慣力的作用來實(shí)現(xiàn)微量液滴的形成與分 配，從而在整個(gè)分配的過程中均無瞬間高溫、瞬間高壓或瞬間強(qiáng)靜電場(chǎng)的產(chǎn)生，對(duì)生物活性物質(zhì)液滴的影響小。

附圖說明

圖1為多噴頭、多通道微量液滴產(chǎn)生和分配的系統(tǒng)示意圖

圖2為微噴管單獨(dú)供液方式示意圖

圖3為光刻硅片噴頭組件示意圖

圖中：1、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；2、儲(chǔ)液瓶；3、微噴管；4、微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；5、微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制器；6、攝像裝置；7、微噴管夾具；8、樣品承載器；9、導(dǎo)液管；10、氣體導(dǎo)管；11、工控機(jī)；12、三維運(yùn)動(dòng)控制器。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例涉及一種多噴頭、多通道微滴噴射設(shè)備，其示意圖如圖1，包括儲(chǔ)液瓶2，位于所述儲(chǔ)液瓶?jī)?nèi)的氣體導(dǎo)管10，通過多個(gè)導(dǎo)液管9與所述儲(chǔ)液瓶2相連的多個(gè)微噴管3，用于固定所述微噴管的微噴管夾具7和控制所述微噴管運(yùn)動(dòng)的微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)4，依次位于所述多個(gè)微噴管下方的樣品承載器8和三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1；還包括用于控制所述微噴管運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)。

實(shí)施例2

同實(shí)施例1相比，本實(shí)施例的區(qū)別在于，

所述氣體導(dǎo)管的直徑為1mm-5mm，儲(chǔ)液瓶的體積為5mL-20mL。

所述微噴管的結(jié)構(gòu)為上端是粗管區(qū)，下端是噴射細(xì)管區(qū)，上端和下端中間區(qū)域是錐形過渡區(qū)，其噴口的直徑為15μm-200μm。

所述微噴管還可為光刻硅片(如圖3所示)。

所述多個(gè)導(dǎo)液管與多個(gè)儲(chǔ)液瓶分別相連。(如圖2所示)

所述控制系統(tǒng)包括用于控制所述微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的微位移 往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制器5，所述控制器包括可產(chǎn)生任意電壓波形的可編程信號(hào)發(fā)生器和功率放大器，其中功率放大器的放大電壓范圍是0-150V；用于控制三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的三維運(yùn)動(dòng)控制器12，主要由PMAC控制器組成，和與所述微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制器和三維運(yùn)動(dòng)控制器相連的工控機(jī)11。

還包括攝像裝置6。

實(shí)施例3

本實(shí)施例涉及利用本發(fā)明所述的多噴頭、多通道的微滴噴射設(shè)備進(jìn)行生物活性材料，如海藻酸鈉/膠原/明膠/基質(zhì)膠等與細(xì)胞形成混合物噴射的方法，其具體步驟如下：

1)滅菌：對(duì)三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1和微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)4采用紫外線滅菌燈照射的方式進(jìn)行滅菌，滅菌時(shí)間約為30分鐘，儲(chǔ)液瓶2、導(dǎo)液管9和微噴管3采用高壓蒸汽的方式進(jìn)行滅菌。

2)將所需分配的海藻酸鈉/膠原/明膠/基質(zhì)膠等與細(xì)胞配成液體約5mL-20mL裝于氣體儲(chǔ)液瓶中；

3)通過所述氣體導(dǎo)管向所述待分配液中通入氣體，通氣速度為0.001mL/min-1mL/min，推動(dòng)所述待分配液體經(jīng)過導(dǎo)液管進(jìn)入所述多個(gè)微噴管中；

4)利用所述微位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在所述多個(gè)微噴管上執(zhí)行預(yù)定的往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，將液滴分配在預(yù)定位置上。在所述微噴管進(jìn)行單細(xì)胞的打印過程中，所述微噴管做靠近液面的運(yùn)動(dòng)，其加速度先由零上升到第二預(yù)定值，接著保持所述第二預(yù)定值第二預(yù)定時(shí)間，最后再回到零值。其中所謂非對(duì)稱往復(fù)運(yùn)動(dòng)是指微噴管在壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下做去程和返程加速度不同的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一般來說，返程加速度要大于去程加速度，從而呈現(xiàn)去程和返程運(yùn)動(dòng)位移-時(shí)間曲線不對(duì)稱的情況。

實(shí)施例4

同實(shí)施例3相比，本實(shí)施例的區(qū)別為，在需要的時(shí)候，可通過減小所述儲(chǔ)液瓶?jī)?nèi)的壓力實(shí)現(xiàn)退液，即直接吸取所需量的液體，然后根據(jù)需要噴射于相應(yīng)的承載器上。

由以上可知，本發(fā)明所述的多微滴噴設(shè)設(shè)備，進(jìn)樣裝置簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣，可設(shè)置多個(gè)微噴頭，有利于實(shí)現(xiàn)高通量的液體轉(zhuǎn)移，同時(shí)工作速度快、效率高、穩(wěn)定性好。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。