数字化无阀微泵的设计、制作及应用实验研究

摘要

本文基于“微流体数字化”技术，充分利用微尺度特性，提出固液两相耦合驱动原理：在微尺度下，由外部作用，使固壁产生周期性的沿流向的小幅运动；由于边界流与固壁间的分子作用力，使边界流具有固体特性，所以边界流与固壁一起运动；边界流与中间流产生速度差势，由于液体间粘性力的作用，拖动中间流运动。 以此设计新型的非隔膜式的数字化无阀微泵。微泵两端呈针状，中间为腔体，进口端直径大于出口端直径。利用毛细作用力将液体吸入，再利用固液耦合作用驱动泵腔体内流体运动，由于进、出口端自锁，液体形成单向流，由出口端泵送出去，实现流体的微泵送。经建模分析，微泵的结构参数、固相运动参数以及液相粘性参数对流动产生影响，需要综合各参数，进行优化。 针对玻璃成形特点，设计制作水平式微器件制备仪，并制作了成本较低的玻璃无阀微泵管。并进行原理性验证实验，证明原理正确，可实现泵送。针对不同的出口直径，微泵管的进、出口比率在适当的范围内，可实现泵送。 数字化无阀微泵可实现连续流、离散流的泵送。低频率驱动可泵送离散流，高频率驱动可泵送连续流。无阀微泵对泵送液体具有广泛的适用性。可泵送较低黏度液体，如蒸馏水、酒精；也可泵送较高粘度的酸奶；还实现了银粉悬浊液的泵送，没有沉积或堵塞现象；对含细胞的培养液也实现了培养液包裹细胞同时的单个的泵送。无阀微泵泵送液体量微小、单次离散泵送可达皮升级；泵送体积流速可控制得很小，经测量，可达0.541μL/min，甚至更小；泵送效率较高，泵送的出口速度可达0.2m/s。 结合生物制造中的应用研究，利用无阀微泵将细胞向组织支架上进行定点输送，摸索多种细胞在组织支架上的培养的可能性。运用微立体光刻技术，设计、制备初步的微米级的圆柱阵列式和三角孔式细胞支架，支架结构微小，支架孔径约为100-150μm，可作为原生代种子细胞的附着处，支架内部有营养存储空间和流动通道。选用虾卵、小鼠卵细胞实验，该无阀微泵可利用毛细作用力，将含有细胞的培养液连同细胞一起吸入微泵管内，并可将细胞定点输送到指定的支架微孔内，并能保持生物活性。此方法为三维空间多种细胞排列生长提供一种思路。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

1绪论

1.1微流体系统

1.1.1微流体系统概念

1.1.2微流体系统装置

1.2微泵送技术

1.2.1微泵送技术特点

1.2.2微泵送的驱动技术及泵送特点

1.3微泵送装置的发展状况

1.3.1有阀型微泵送装置的发展状况

1.3.2无阀型微泵装置的发展状况

1.4微泵送技术的研究难点及热点

1.5论文选题意义及研究内容

1.5.1论文意义及来源

1.5.2研究内容

1.5.3本论文结构

2数字化无阀微泵的设计

2.1理论准备

2.2微流体数字化技术

2.2.1微流体数字化驱动——控制一体化技术的提出与确立

2.2.2微流体数字化概念

2.3数字化无阀微泵的设计

2.3.1微尺度下流体特性

2.3.2微泵工作原理——固液两相耦合作用驱动

2.3.3数字化无阀微泵的结构设计

2.3.4运动学分析

2.3.5动力学分析

2.4数字化无阀微泵建模分析

2.4.1无阀微泵固液两相耦合系统分析

2.4.2微泵流动影响参数研究

2.4.3微泵固液耦合系统的参数设计

2.5本章小结

3数字化无阀微泵的制作

3.1微流体器件制备仪的设计制作

3.1.1制备仪的原理设计

3.1.2制备仪的机械及电路设计

3.1.3制备仪的样机验证实验

3.2微泵的制作

3.2.1微泵管材料的选择

3.2.2无阀微泵管的拉制

3.3无阀微泵外部驱动系统的选择

3.3.1无阀微泵对驱动系统的要求

3.3.2压电晶体及压电驱动

3.3.3无阀微泵外部驱动系统

3.4无阀微泵原理性验证实验研究

3.5本章小结

4数字化无阀微泵泵送性能实验研究

4.1影响固壁运动的因素实验

4.1.1影响固壁运动因素分析

4.1.2驱动波形的设计

4.1.2影响固壁运动因素实验及结果分析

4.2数字化无阀微泵泵送状态实验

4.2.1影响泵送状态的因素分析

4.2.2泵送实验

4.3数字化无阀微泵泵送适用性实验研究

4.3.1不同粘性液体泵送实验

4.3.2悬浊液的泵送实验

4.3.3含有生命物质的液体泵送实验

4.3.4数字化无阀微泵泵送适用性实验结果分析

4.4本章小结

5数字化无阀微泵泵送评价实验

5.1泵送体积效率测量实验研究

5.2泵送出口速度测量实验

5.2.1频闪实验系统

5.2.2图像处理

5.2.3频闪测量系统标定

5.2.4实验结果计算

5.3本章小结

6数字化无阀微泵在生物制造中的应用试验研究

6.1生物制造的背景及意义

6.2生物细胞支架的初步制备

6.2.1组织支架的原型设计与3DP制备实验研究

6.2.2基于微立体光刻技术的生物支架的制备研究

6.3无阀微泵对生物支架上细胞定点输送的实验研究

6.3.1实验系统

6.3.2微泵细胞定点输送实验及结果讨论

6.3本章小结

7结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

博士期间所发表的文章