三维热塑性材料的印刷, 以创建自动注射器泵的反馈控制微流控应用

该方法有助于在需要精确液体处理的任何领域进行研究，包括分子、细胞和系统生物学、化学工程和微加工。这种方法的主要优点是我们能够制造低成本的压力调节注射泵。这种技术应该可以在广泛的学科中节省资金。

这项技术展示了我们如何将增材制造与开源电子产品相结合，以制造出有用的实验室仪器。首先，从本出版物的补充文件中下载 STL 设计文件。通过在专用于将 STL 模型文件转换为所用 3D 打印机的可执行指令集的软件包中打开这些文件来准备这些文件以进行打印。

确保使用正确的软件，因为某些打印机需要专有软件，而其他打印机可能能够直接从 STL 文件打印。现在使用丙烯腈丁二烯苯乙烯和高质量的 3D 打印机设置打印塑料组件。如果使用其他常见的 3D 打印材料，例如聚乳酸或其他热塑性弹性体，请确保成品的机械性能具有可比性。

完成后，将打印部件从 3D 打印机的打印平台上拆下。从成品部件上拆下打印的支撑结构。通过使用砂纸打磨任何粗糙的边缘来平滑打印的组件。

为获得最佳效果，请使用粒度小于 220 的砂纸。组装前确保所有组件光滑，并确保所有七个部件都已打印完成。使用带有固定螺钉的电机轴 z 轴柔性耦合器将步进电机固定到螺纹杆上。

在继续之前，请确保旋转步进电机轴带动螺纹杆无打滑。将注射器平台的连接钉用力按入电机连接器顶部的配合孔中，将注射器平台连接到电机连接器。通过电机连接器拧紧四个 16 毫米螺钉来连接这两个部件。

现在将两个线性滚珠轴承和一个 0.8 毫米六角螺母插入位于钢丝圈推杆底部的开口中。将电机连接器上的螺纹杆通过走线器推力中的 0.8 毫米六角螺母对齐。然后将两个线性轴通过推入电机连接器的钢丝圈插入。

现在将两个六角螺母放在电机连接器件的六角形空间中，然后使用两个 16 毫米的螺钉拧紧连接，防止线性轴移动。将滚珠轴承插入限位块的中间开口。将限位器与组装的组件连接起来。

将两个六角螺母放在末端挡块的六角形空间中，然后使用两个 16 毫米的螺钉拧紧连接，以将末端挡块固定到组件上。接下来，使用两个钢制锁紧螺母和两个 16 毫米螺钉将注射器柱塞母连接件连接到钢丝圈推杆上。将 10 毫升注射器放在泵的顶部。

确保柱塞头与注射器柱塞母连接器件的槽口对齐，并且注射器针筒的顶部固定在电机连接器的槽中。现在将注射器柱塞公连接器插入注射器柱塞母连接器。使用两个六角螺母和两个 35 毫米螺钉将注射器夹连接到注射器平台，确保注射器针筒固定在注射器夹的插槽中。

确保公头和母头组件之间紧密配合，将柱塞固定到位。按照文本协议中的详细说明进行微流体设备准备。要开始注射泵系统组装，请使用剃须刀从压力传感器的电缆上去除 80% 的电线绝缘层和屏蔽层。

切割时要轻柔，以确保电线不会超过所需长度。移除绝缘层和屏蔽层后，将电线连接到矩形公连接器。使用类似的方法，从步进电机的引线上去除 1 到 2 厘米的电线绝缘层，并将电线连接到公矩形连接器。

现在将注射器固定在压力传感器的入口侧。将 22 号分配针连接到压力传感器的出口侧。将直径为 0.51 厘米的管子的一端滑过连接到压力传感器的 22 号分配针头。

将管路的另一端滑过可连接到微流体装置的 22 号分配针头。然后将针头连接到微流体装置的入口。使用 22 号针头和 0.51 厘米直径的管子将微流体装置的出口连接到废物处理储液罐，类似于入口的连接。

接下来，根据文本 protocol 中的图表将电子电路组装到原型试验板上。将步进电机的电线与步进电机驱动器连接起来。然后将压力传感器和步进电机驱动器的电线连接到面包板。

现在将面包板的输出信号与微控制器上的模拟输入引脚连接起来。将步进电机驱动器的 logic input 引脚与微控制器上的数字引脚连接起来。步进电机驱动器上的步进输入与微控制器上数字引脚的脉宽调制端口连接，用波浪号表示。

将电源连接到试验板，如文中所示。然后将试验板和步进电机驱动器的电源设置为 10 伏。要控制注射式压力泵，请首先打开开源微控制器的集成开发环境或 IDE。

将 Timer. h 和 ExcelStepper. h 库下载到微控制器的 IDE 库目录中。

下载标题为 Dual Pump PID Control.INO 的控制器代码。此代码用于控制带有两个泵的反馈控制注射泵系统。对控制器代码进行编程，使其适合正在进行的实验。

修改 timing 参数的 control 参数，以适应所需的响应和实验的持续时间。在运行实验之前，编译代码并将其上传到微控制器。打开注射泵系统的电源。

最后，将步进电机电源的电压设置为 10 伏。这里显示的是代表性结果，显示了如何调整控制参数。如图所示，修改比例系数会导致压力信号的响应曲线不同。

修改积分系数和微分系数也会导致响应曲线发生变化。可以针对不同的实验设计优化参数。这里显示的是代表性结果，显示了微流体设备中层流剖面的控制和调制。

通过控制 Y 形微流体装置两个入口处的入口压力，可以精确控制下游的界面位置。在此程序之后，可以执行其他技术，例如细胞培养和显微镜检查，以回答与合成基因网络调控动力学、细胞生理学和生物调控网络相关的问题。这些注射泵系统使我们实验室小组内微流体手术的开发更加迅速。

这些设备是小组控制通过许多不同微流体设备的流量的一种廉价且省时的方法。我们希望各个学科的研究人员能够使用和扩展这些压力调节注射泵来满足他们的微流体需求。