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方法文章

使用热塑性材料三维打印制造用于微流控应用的带反馈控制自动化注射泵

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DOI：

10.3791/57532

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2018年8月30日

 ,  ,  , 
1Department of Bioengineering, University of Pittsburgh, 2Department of Mechanical Engineering, Carnegie Mellon University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本文介绍了一种用于微流控应用的压力控制注射泵的构建方案。该注射泵由以下部件制成： 增材制造的主体、现成的硬件和开源电子元件。该系统成本低廉、易于搭建，可提供良好调控的流体流动，从而推动快速微流控研究。

摘要

微流控技术已成为生物、化学和物理科学研究中的关键工具。微流控实验的一个重要组成部分是稳定的流体处理系统，该系统能够精确提供入口流速或入口压力。本文中，我们开发了一种可控制和调节输送至微流控装置的入口流体压力的注射泵系统。该系统采用低成本材料并基于增材制造原理设计，尽可能利用热塑性材料的三维（3D）打印技术和市售组件。该系统由三个主要部分组成：注射泵、压力传感器和可编程微控制器。本文详细描述了该注射泵系统的制造、组装和编程的一系列操作规程。此外，我们还提供了代表性实验结果，展示了利用该系统实现高保真度的入口压力反馈控制。我们预期该操作规程将使研究人员能够构建低成本的注射泵系统，从而降低在生物医学、化学和材料研究中应用微流控技术的门槛。

引言

微流控技术已成为生物和化学研究领域科学家的重要工具。由于其具有样品用量少、检测速度快以及流体流动特性明确等优势，微流控技术已在基因组学和蛋白质组学研究、高通量筛选、医学诊断、纳米技术和单细胞分析等领域得到广泛应用1,2,3,4。此外，微流控装置设计的灵活性也使其能够便捷地用于基础科学研究，例如研究培养的细菌菌落的时空动态行为5。

已开发出多种流体注射系统，用于向微流控装置精确输送流体。此类注射系统的示例包括蠕动泵和循环泵6、压力控制系统7以及注射泵8。这些注射系统（包括注射泵）通常由昂贵的精密工程部件构成。若在这些系统中增加对输出流体压力的闭环反馈控制，将进一步提高其成本。为此，我们此前开发了一种坚固且低成本的注射泵系统，该系统采用闭环反馈控制来调节输出流体压力。通过使用闭环压力控制，可消除对昂贵精密工程部件的需求9。

廉价的3D打印硬件与相关开源软件的显著发展相结合，使得来自不同学科的研究人员越来越容易设计和制造微流控装置10。然而，用于驱动流体通过这些装置的系统仍然价格昂贵。为满足对低成本流体控制系统的需求，我们开发了一种可在实验室由研究人员自行制造的设计，仅需少量组装步骤。尽管成本低廉且组装简便，该系统仍可实现精确的流体控制，为市面上价格高昂的商用闭环注射泵系统提供了一种替代方案。

本文提供了我们所开发的闭环控制注射泵系统的构建与使用方案（图1）。该流体控制系统由一个借鉴先前研究11的物理注射泵、一个微控制器以及一个压阻式压力传感器组成。当系统组装完成并使用比例-积分-微分（PID）控制器进行编程后，能够向微流控装置提供稳定且受控的压力驱动流体。该系统为高成本商用产品提供了一种低成本且灵活的替代方案，使更广泛的科研人员能够在研究中使用微流控技术。

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方案

1. 注射泵的3D打印与组装

  1. 制备并3D打印注射泵组件
    1. 从以下位置下载 .STL 设计文件 补充文件 本文。
      注意：共有六个 .STL 文件，分别为 'JoVE_Syringe_Clamp_10mL_Size.stl'、'JoVE_Syringe_Platform.stl'、'JoVE_Syringe_Plunger_Connectors.stl'、'JoVE_Syringe_Pump_End_Stop.stl'、'JoVE_Syringe_Pump_Motor_Connector.stl' 和 'JoVE_Syringe_Pump_Traveler_Push.stl'，位于 补充文件这些文件对应注射泵的3D打印部件。
    2. 使用专用于将 .STL 模型文件转换为所用 3D 打印机可执行指令集的软件打开这些文件，以准备打印。确保使用正确的软件，因为某些打印机需要专用软件，而其他打印机则可能直接从 .STL 文件进行打印。
    3. 使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）材料，采用高质量3D打印机设置打印塑料部件。若使用其他常见3D打印材料，如聚乳酸（PLA）或其他热塑性弹性体，需确保最终的力学性能（例如，弹性、屈服强度）与ABS相当。
    4. 从3D打印机的打印平台取下已打印的部件。移除成品部件上的打印支撑结构。
      注意：支撑结构由用于将 .STL 模型文件转换为 3D 打印机可执行指令集的特定打印机软件设计。支撑材料的数量和结构可能因所使用的软件而异。
    5. 使用砂纸打磨打印部件的粗糙边缘，使其表面光滑。为达到最佳效果，建议使用粒径约为 220. 组装前请确保所有组件表面光滑。
    6. 确保七个部件均已打印完成。
      注意：这些部件的名称如下：（I）电机连接器，（II）滑块推杆，（III）限位挡块，（IV）注射器平台，（V）注射器夹具，（VI）注射器推杆公接头和（VII）注射器推杆母接头。各组件对应的罗马数字在文中提及 图2A组装所需机械部件的详细清单见于 材料表.
  2. 组装注射泵（图2)
    1. 使用带紧定螺钉的电机轴Z轴柔性联轴器将步进电机固定到螺纹杆上。继续操作前，确保旋转步进电机轴时可带动螺纹杆转动且无打滑现象。
    2. 将注射器平台的连接销牢固地插入电机连接器顶部的对应孔中，以将注射器平台连接到电机连接器。
    3. 将1.2.1步骤中组装好的部件与1.2.2步骤中的部件通过电机连接器用四根16 mm螺丝固定。
    4. 将两个直线球轴承和一个0.8 mm的六角螺母插入滑块推杆底部的孔中。
    5. 将螺纹杆穿过滑块推杆中的0.8 mm六角螺母，并与电机连接器对齐。
    6. 将两根线性轴穿过滑座推块和电机连接器。
    7. 将两个六角螺母放入电机连接器的六角形槽中 用两个16 mm的螺丝拧紧连接处，固定直线轴，防止其移动。
    8. 将钢珠插入端盖的中间孔中。
    9. 将限位器与步骤1.2.7中已组装的部件连接。
    10. 在端部挡块的六角形孔中放入两个六角螺母，然后使用两个16 mm的螺丝拧紧连接，将端部挡块固定到组件上。
    11. 使用两个钢制锁紧螺母和两根16 mm螺丝，将注射器活塞母接头部件固定到滑动推块上。
    12. 将一个10 mL注射器安装在泵的顶部。确保注射器推杆的头部插入注射器推杆母接头的凹槽中，并将注射器筒的顶端固定在电机连接器的插槽内。
    13. 将注射器推杆的雄性接头插入注射器推杆的雌性接头中，确保雄性和雌性部件之间紧密贴合，以固定推杆位置。
    14. 使用两个六角螺母和两个35 mm螺丝将注射器夹连接到注射器平台，确保注射器筒体固定在注射器夹的槽内。

2. 微流控装置制备

  1. 使用光刻技术制备主模具
    注意：有关微流控器件制造中主模具设计与制备的详细步骤可参见先前文献12。
    1. 使用首选的计算机辅助设计（CAD）软件，创建光掩模所需的图形，并将其打印到玻璃或石英板上。
      注意：根据所用掩模对准器的要求，其他材料也可能适用。这些光掩模通常由第三方供应商完成打印。
    2. 采用光刻方法，利用光掩模制备主模具。该操作应在洁净室环境中进行。
    3. 将制备好的主模具置于真空干燥器中，暴露于氟硅烷蒸气中。
      注意：此步骤有助于在微流控器件制备过程中使聚二甲基硅氧烷（PDMS）从主模具上顺利脱模。处理主模具时，向烧杯中加入三滴氟硅烷，并将烧杯放入真空腔室中。
    4. 施加真空约1分钟。关闭真空腔室，但将主模具继续留在腔室内30分钟，以使氟硅烷充分沉积。出于安全考虑，该操作应在通风橱中进行，以减少接触有害的氟硅烷蒸气。
  2. 制备PDMS器件
    1. 在称量皿中称取PDMS预聚物。尽管最终PDMS器件所需厚度可能有所不同，但对于直径为100 mm的主模具，使用30 g预聚物效果良好。
    2. 按1:10的比例量取并加入固化剂至预聚物中。对于直径为100 mm的主模具，加入3 g固化剂。
    3. 使用一次性刮刀手动充分混合预聚物和固化剂。混合30秒后，检查溶液中是否出现细小且均匀分布的气泡，表明预聚物与固化剂已充分混合。
    4. 将主模具放入培养皿中，并小心地将PDMS混合物倾倒至主模具表面。
      注意：PDMS器件所需厚度可根据其具体应用而调整。
    5. 将混合物置于真空干燥器中脱气1小时。确保混合物中无可见气泡。若仍有气泡存在，迅速释放真空压力，然后重新抽真空。完成此操作后，让混合物静置至少10分钟。
    6. 将PDMS混合物转移至设定为90 °C的烘箱中，使其固化30分钟。
    7. 将PDMS从主模具上剥离，并使用剃刀片将其切割至所需尺寸。佩戴手套以减少PDMS接触污染物的风险。
    8. 使用23 G的注射针头打孔，作为进样口和出样口。为便于操作，可用金属锉刀或砂纸打磨针头，使其钝端变锋利。每次穿孔后，确保将穿出的PDMS圆柱体从针头上去除。
      注意：可使用不同规格的针头进行打孔。应确保所用针头尺寸略大于本方案第3步中使用的针头。
    9. 用过滤后的去离子水清洗PDMS，并使用配备0.2 µm滤膜的压缩空气或氮气源吹干。
      注意：具体气压要求不严格，建筑物中央供气系统提供的压缩气体即可满足此步骤需求。
    10. 使用表面活性剂（如粉状洗涤剂）清洗1号硼硅酸盐盖玻片基底，并使用配备0.2 µm滤膜的压缩空气源吹干。应彻底清洗，因为盖玻片通常涂有疏水性润滑剂，若未充分清洁，则无法与PDMS有效结合。
    11. 使用压敏胶带轻轻接触PDMS表面，以去除残留灰尘。为避免损坏模具结构，切勿对胶带施加过大压力。
    12. 将PDMS器件和清洁后的盖玻片放入氧气等离子体清洗机中处理1分钟。确保清洗过程中等离子体腔室内呈现明亮的洋红色。放置PDMS器件时，应使其带有模具结构的一面朝上，暴露于等离子体中。
    13. 从等离子体清洗机中取出PDMS和盖玻片，将盖玻片正面朝下贴合到PDMS器件上。
      注意：此操作将导致盖玻片与PDMS几乎立即键合。若未观察到结合现象，可在PDMS无模具结构的区域轻轻按压盖玻片，以促进PDMS与盖玻片之间的键合。
    14. 将PDMS器件置于90 °C烘箱中至少12小时，以确保PDMS与盖玻片充分键合。

3. 反馈控制注射泵系统组装

  1. 移除适量 使用剃刀小心剥离压力传感器电缆的导线绝缘层和屏蔽层，注意切割时动作要轻柔，确保在所需长度以上的导线不受损伤。去除绝缘层和屏蔽层后，将导线连接至矩形公头连接器。
  2. 采用与上一步类似的方法，从步进电机的引线上剥离1 - 2 cm的绝缘层，并将导线连接至矩形公头连接器。
  3. 将注射器连接至压力传感器的进样端，再将22 G分配针头连接至压力传感器的出样端。
  4. 将一段直径为0.51 cm的导管套在连接至压力传感器的22 G分配针的一端。
  5. 将内径为0.51 cm的管子另一端套在可连接至微流控装置的22 G dispensing针头上。将针头连接至微流控装置的进样口。
  6. 使用22 G针头和直径0.51 cm的管路，将微流控装置的出口端口连接至废液收集 reservoir，连接方式与入口端口类似。
  7. 根据电路图在原型面包板上组装电子电路 图3.
    注意：该面包板用于调节来自压力传感器的信号，以便由微控制器进行监测。也可使用其他兼容的微控制器来监测压力传感器信号。
  8. 将步进电机的导线与步进电机驱动器连接。根据示意图，将压力传感器和步进电机驱动器的导线连接至面包板 图3压力传感器露出的导线采用颜色编码，应按如下方式连接：红色连接至V+，黑色连接至V-，绿色连接至Signal+，白色连接至Signal-。
  9. 将面包板的输出信号连接到微控制器的模拟输入引脚。
  10. 将步进电机驱动器的逻辑输入引脚与微控制器上的数字引脚相连。步进电机驱动器上的 STEP 输入端应连接至微控制器数字引脚中标有“~”符号的脉宽调制（PWM）端口。
  11. 根据图示将电源与面包板连接 图3将电源调至10 V，为面包板和步进电机驱动器供电。

4. 压力传感器校准

注意：根据本文所选的放大器，计算增益的公式为 G = 5 + (200k/RG)，其中 RG = R1，G 为放大器增益。此处的放大器增益约为 606。通过改变 R1 所用的电阻值，可调整该增益值。此外，由于微控制器板的逻辑电平为 5 V，而仪器由 10 V 供电，因此使用一个由 R2 和 R3 构成的简单分压电路，以确保输出信号不超过 5 V。

  1. 下载并安装适用于微控制器的集成开发环境（IDE）。
  2. 从补充文件中下载名为“Pressure_Sensing.ino”的控制器代码。该代码用于从两个压力传感器获取压力信号。
    注意：本文所使用的微控制器及控制器代码包含具有10位分辨率的模拟输入引脚，每200 ms读取一次压力传感器的模拟信号，以驱动步进电机。analogRead()括号中的数字对应于连接至压力传感器电路中分压电路输出信号的模拟输入引脚，如图3所示。delay变量表示重新评估信号并相应输出的时间间隔，单位为ms。
  3. 在传感器出口封闭的情况下，向传感器入口施加已知压力，并测量相应的输出信号。
    注意：一种简单的压力传感器校准方法是使用盛有水的储液罐，通过调节水位高度产生不同压力。由此产生的重力压力可用于校准压力传感器。
  4. 绘制校准曲线图，以施加的校准压力（Pa）为横轴，压力信号（V）为纵轴，获得y轴截距的数值。
  5. 将该数值应用于控制器代码中，例如在补充文件中的“Dual_Pump_PID_Control.ino”代码中的sensor1Offset和sensor2Offset变量，以校准反馈控制系统中的压力值。

5. 从微流控装置捕获图像

  1. 通过串行接口将微控制器连接到开源单板计算机，使单板计算机捕获的图像触发微控制器进行压力测量。
  2. 将适用于该单板计算机的摄像头模块连接至体视显微镜的一个目镜。此处使用 20X 放大倍数对微流控器件进行成像。

6. 控制注射泵压力

  1. 打开开源微控制器的集成开发环境（IDE）。将 Timer.h13 和 AccelStepper.h14 库文件下载至微控制器 IDE 的库目录中。
  2. 从补充文件中下载名为“Dual_Pump_PID_Control.ino”的控制器代码。该代码用于控制包含两个泵的反馈式注射泵系统。
  3. 根据所进行的实验对控制器代码进行编程。修改控制参数或时序参数，以匹配实验所需的响应和持续时间。在运行实验前，编译并将代码上传至微控制器。
    注意：在控制器代码中，setPoint1/2 的值用于改变压力水平，stepper1/2Out 的值用于调节泵的转速。AccelStepper stepper1/2 列中的最后两个值对应微控制器上的端口号。milliTiming 变量决定从压力传感器读取模拟信号的频率，printTiming 变量决定向串行监视器输出转速和压力值以供检查的频率。所有单位均为 ms。maxError 变量由微控制器板的逻辑电平决定。本方案中使用的微控制器为 5 V，因此此处使用值 5。
  4. 开启注射泵系统的电源。将步进电机电源的电压设置为 10 V。

7. 调整 PID 控制器参数

注意：理想的控制器参数值可能因应用和微流控装置几何结构的不同而有所差异。例如，在长期实验（数小时）中，较低的比例常数（Kp）可能更可取，以牺牲响应时间为代价来最小化超调。这些权衡取决于具体的实验条件和研究目标。

  1. 通过手动方法调节控制器，首先调整比例常数（Kp），以改善阶跃函数的响应时间。
    注意：尽管可以采用算法方法，但手动调节能满足本文所示微流控应用的需求。
  2. 接下来，调整积分（Ki）和微分（Kd）参数，以最小化超调量，并确保设定点的稳定性。
  3. 在补充文件的控制器代码中设置 Kp、Ki 和 Kd 变量的 PID 值。

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结果

本文介绍了一种构建反馈控制注射泵系统的方法，并展示了其在微流控应用中的潜在用途。图1展示了注射泵、压力传感器、微流控装置、微控制器、压力传感器电路和步进电机驱动器的连接系统。图2显示了注射泵组件的详细结构示意图，图3给出了压力传感的电子电路原理图。控制参数调节过程如图4所示。最后，图5展示了一个在双入口Y形微流控器件中控制入口压力的代表性实验结果。

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讨论

本文介绍了一种具有闭环压力控制功能的注射泵系统的新设计。该设计通过将3D打印的注射泵与压阻式压力传感器及开源微控制器集成实现。采用PID控制器，能够精确控制入口压力，在维持设定点附近稳定性的同时，实现快速响应。

许多使用微流控装置的实验需要精确的流体控制，并利用已充分表征的层流流型。在研究时间与空间浓度梯度15以及生成用于进一步分析的精确流体包封16。通过使用 PID 控制器维持高性能响应，本实验方案所述系统可实现此类层流实验所需的流量调节与长期稳定性。

然而，需要注意的是，涉及微流控装置的实验存在细微的差异和变化。例如，不同的微流控几何结构（通道宽度和高度）可能需要不同的流体流动模式。因此，必须相应地调节PID控制器的参数。此外，某些实验可能需要对压力范围进行严格控制。在这种情况下，压力超调可能是不可接受的。因此，必须调节PID控制参数以使超调最小化，这通常以牺牲响应时间为代价。

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢美国海军研究办公室资助项目 N00014-17-12306 和 N00014-15-1-2502，以及美国空军科学研究办公室资助项目 FA9550-13-1-0108 和美国国家科学基金会资助项目 No. 1709238 的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Arduino IDEArduino.orgArduino Uno R3 控制软件
双针排针连接器Digi-KeyWM4000-ND
三针排针连接器Digi-KeyWM4001-ND
四针排针连接器Digi-KeyWM4002-ND
22 号钩线，黑色Digi-Key1528-1752-ND
22 号钩线，蓝色Digi-Key1528-1757-ND
22 号钩线，红色Digi-Key1528-1750-ND
22 号钩线，白色Digi-Key1528-1768-ND
22 号钩线，黄色Digi-Key1528-1751-ND
仪表放大器德州仪器（Texas Instruments）INA122P
微控制器，Arduino Uno R3Arduino.orgA000066
迷你面包板AmazonB01IMS0II0
电源BK Precision1550
压力传感器PendoTechPRESS-S-000
矩形连接器外壳Digi-KeyWM2802-ND
矩形连接器公头Digi-KeyWM2565CT-ND
电阻器，10k 欧姆 Digi-Key1135-1174-1-ND
电阻器，330 欧姆 Digi-Key330ADCT-ND
步进电机驱动器，EasyDriverDigi-Key1568-1108-ND
USB 2.0 线缆，A 公头转 B 公头AmazonPC045
3D 打印材料，Z-ABS Zortrax提供多种颜色
3D 打印机ZortraxM200打印注射泵组件
球轴承，17x6x6mmAmazonB008X18NWK
六角机械螺钉，M3x16mm AmazonB00W97MTII
六角机械螺钉，M3x35mm AmazonB00W97N2UW
六角螺母，M3 0.5 AmazonB012U6PKMO
六角螺母，M5 AmazonB012T3C8YQ
车床圆棒AmazonB00AUB73HW
直线滚珠轴承AmazonB01IDKG1WO
直线柔性联轴器AmazonB010MZ8SQU
钢制锁紧螺母，M3 0.5AmazonB000NBKLOQ
步进电机，NEMA-17，1.8°/步Digi-Key1568-1105-ND
注射器，10mL，鲁尔锁扣式针头BD309604
螺纹杆AmazonB01MA5XREY
1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷FisherScientificAAL1660609
摄像头模块Raspberry Pi 基金会V2
小型烘箱FisherScientificPR305220G烘烤 PDMS 预聚物混合物及器件
分配针头，22 号McMaster-Carr75165A682
分配针头，23 号McMaster-Carr75165A684
Fisherbrand 优质盖玻片FisherScientific12-548-5C
玻璃培养皿，130x25mm美国教育产品公司（American Educational Products）7-1500-5
等离子清洗机Harrick PlasmaPDC-32G将盖玻片与 PDMS 器件键合
剃须刀片FisherScientific7071A141 
Scotch Magic 透明胶带AmazonB00RB1YAL6
单板计算机Raspberry Pi 基金会Raspberry Pi 2 model B
Smart Spatula 刮刀FisherScientificEW-06265-12
Sylgard 184 硅橡胶弹性体套件FisherScientificNC9644388
注射器滤器Thermo Scientific7252520
Tygon 软管ColeParmer EW-06419-01
真空干燥器FisherScientific08-594-15C对 PDMS 预聚物混合物脱气，并在母模上涂覆氟硅烷
称量皿FisherScientificS67090A

参考文献

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