數(shù)字流體微量噴射系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

孫懷遠 孫陳杰 廖躍華（上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海 00093）（上海醫(yī)療器械高等?？茖W校，上海 00093）

引言

微噴射是微流體控制系統(tǒng)的一個重要組成部分。微噴射過程取決于微噴射流體的驅(qū)動技術(shù)和相應(yīng)的微噴嘴制造技術(shù)［1］。隨著微系統(tǒng)、微流體技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字處理方法的不斷完善，數(shù)字流體微量噴射作為一種新型工藝技術(shù)，獲得了發(fā)展和初步應(yīng)用。除了一般快速成型技術(shù)外，其典型應(yīng)用還包括醫(yī)學、生物制造工程、制藥工程、微機械制造和微推進系統(tǒng)構(gòu)建等領(lǐng)域，如：基于壓電噴射技術(shù)的心臟支架藥物噴涂、生物芯片或微陣列非接觸式點樣以及細胞顯微注射［2］。

目前，國內(nèi)外對于微噴射技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用都處于研究階段，主要有利用相關(guān)技術(shù)原理進行的微膠囊制造實驗研究，多種藥物完全可控釋智能微晶片研制，利用微噴射技術(shù)研制以乳酸羥基乙酸共聚物（PLGA）為骨架的紫杉醇微球等［2-4］。

本研究結(jié)合微噴射技術(shù)與計算機視覺和智能控制，設(shè)計構(gòu)建了一個數(shù)字流體微量噴射系統(tǒng)，使微噴技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)自動化。通過噴點實驗驗證了系統(tǒng)的合理性與可行性，系統(tǒng)以自動代替手動操作，以圖像攝取代替顯微鏡觀察，可用于生物、醫(yī)藥工程及相關(guān)領(lǐng)域的微系統(tǒng)研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)字化微量噴射技術(shù)是在數(shù)字信號激勵下，通過對微噴頭實施脈沖慣性力，使工作腔內(nèi)的流體在慣性力與黏性力交替作用下實現(xiàn)脈沖流動，并以一定的響應(yīng)率和速度噴射到指定位置，從而實現(xiàn)數(shù)字化可控的微量流體的噴射［3-5］，圖1給出了數(shù)字化微噴射技術(shù)實現(xiàn)框圖，據(jù)此設(shè)計的數(shù)字流體微量噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由微噴嘴組件及其驅(qū)動控制裝置、氣壓控制裝置、運動平臺及其驅(qū)動控制裝置、監(jiān)控與操作系統(tǒng)等4部分組成，圖3為系統(tǒng)實物照片。

圖1 數(shù)字化微噴技術(shù)實現(xiàn)框圖Fig.1 Framework realizing digitalmicro-jetting technology

由微噴頭、儲液器及外套集成的微噴嘴組件是系統(tǒng)的核心部分，其中，微噴頭采用MicroFab公司MJ-AL-01型微米級口徑噴頭，通過壓電原理實現(xiàn)微量噴射，而噴射液滴數(shù)量與速度可通過CT-M3-02型壓電控制器調(diào)節(jié)其輸出信號頻率來改變，壓電控制器與計算機采用串行通信，以達到設(shè)置參數(shù)從而控制液滴噴射過程。

圖2 數(shù)字化微噴實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of experimental digital micro-jetting system

圖3 數(shù)字流體微噴實驗系統(tǒng)Fig.3 Experimental system for digital fluid micro-jetting

為使壓電信號有效驅(qū)動噴頭實現(xiàn)微量噴射，微噴頭噴口處須保持氣壓平衡并產(chǎn)生一穩(wěn)定液面，本設(shè)計采用CT-PT-01型氣壓控制器輸入正氣壓與真空壓，并可通過精密氣壓調(diào)節(jié)器對氣壓平衡進行微調(diào)。

為精確控制噴點軌跡和速度，系統(tǒng)采用帶有二次開發(fā)功能的YAMAHA-ERCX運動控制器驅(qū)動XY運動平臺，實現(xiàn)高速高精度伺服控制，使工作臺按指定流程進行定位、運行，滿足不同要求的微量噴點。

2 系統(tǒng)控制平臺設(shè)計

本系統(tǒng)操作與監(jiān)控平臺由運動控制和微量噴射控制兩部分構(gòu)成。

2.1 工作臺運動控制

工作臺是由二維運動平臺帶動在水平面上運動，所以對工作臺的運動控制就是對二維運動平臺伺服電機的控制。圖4給出了工作臺的控制框圖。

圖4 工作臺運動控制框圖Fig.4 Worktable motion control diagram

工作臺的運動控制包括運動方向、起始位置、起動順序、運動速度、軌跡路線以及歸零復(fù)位等，是通過計算機向運動控制器發(fā)送字符串得以實現(xiàn)的。該程序利用YAMAHA-ERCX運動控制器開發(fā)平臺進行設(shè)計，其控制界面如圖5所示。為了適應(yīng)噴點需要，運動控制設(shè)計了點動和連續(xù)運動兩個模式。

圖5 工作臺運動控制界面Fig.5 Interface of worktable motion control

2.2 微量噴射控制

微量噴射主要參數(shù)的設(shè)置包括驅(qū)動電壓、驅(qū)動頻率和脈沖時間等。結(jié)合壓電控制器自帶開發(fā)軟件，在VB開發(fā)環(huán)境中，設(shè)計微量噴射參數(shù)預(yù)置程序和執(zhí)行程序，并通過串行接口通信協(xié)議，設(shè)計連續(xù)驅(qū)動和單次驅(qū)動噴射模式，控制界面如圖6所示。

圖6 微量噴射控制界面Fig.6 Interface of micro-jetting control

單次驅(qū)動模式可以設(shè)置“步數(shù)”即驅(qū)動脈沖波形個數(shù)，以實現(xiàn)點矩陣模式，在完成指定的液滴噴點數(shù)后系統(tǒng)會自動停止。而要實現(xiàn)線打印，則可在連續(xù)驅(qū)動模式下完成。

由于每發(fā)送一次波形完成一個周期的驅(qū)動，因此發(fā)送頻率決定了驅(qū)動的快慢，在微噴射中表現(xiàn)為微液滴噴射的頻率。而電壓是輸出波形的幅值，電壓值越大，壓電驅(qū)動器形成的加速度絕對值越大，在微噴射中表現(xiàn)為形成的微液滴顆粒越大，反之越?。?-7］。

輸出的驅(qū)動電壓u波形在一個周期內(nèi)的數(shù)學表達式為

驅(qū)動電壓波形在t=T時，壓電陶瓷驅(qū)動器有一個理論上是無窮大的負向加速度［8］。但由于壓電陶瓷的類“電容”性，因而使其負向加速度為

式中，τ是壓電陶瓷放電常數(shù)；3是壓電陶瓷位移-電壓的線性系數(shù)。

由這個恒定的加速度提供一個恒定慣性力，使微噴頭內(nèi)的液體克服黏性力和表面張力的作用而噴出，所以單次噴出的液體體積是恒定的［8］。如此，可滿足微陣列樣品點尺度和均一性要求。

3 噴點測試實驗

采用不同的點陣間距、運動模式、驅(qū)動參數(shù)等進行了制作微陣列噴點實驗，以驗證數(shù)字流體微量噴射系統(tǒng)的合理性，對本系統(tǒng)噴射性能（主要是樣品點尺度及均一性）進行測試。

3.1 驅(qū)動電壓對噴點的影響實驗

實驗中系統(tǒng)采用微噴嘴內(nèi)徑為40μm，點樣液為染色石蠟溶液，點陣間距0.5mm，載玻片進行了疏水化處理，如圖7所示，微噴嘴到載玻片的距離約為2mm。

圖7 微噴嘴實驗過程實物圖Fig.7 The process of micro-nozzle real figure

樣品點尺度均一性采用圖像處理方法來檢驗，即通過CCD攝像頭對樣品點進行拍攝并獲取圖像，然后用HALCON機器視覺軟件對圖像進行邊緣勘測、填充等處理，提取每個樣品點的像素數(shù)，并進行歸一化處理得到樣品點像素相對變動量，從而判斷均一性［9-10］。

樣品點相對變動量Δ定義為

式中，A為各樣品點像素數(shù)，Am為樣品點的平均像素數(shù)。相對變動量表證樣品點像素數(shù)的相對變動大?。?0-11］。

3.2 微陣列制作

數(shù)字流體微量噴射系統(tǒng)運用串行接口使運動控制單元與微量噴射單元進行相互通信，通過發(fā)送字符串方式控制電機與微量噴頭協(xié)調(diào)動作，從而實現(xiàn)微陣列制作。系統(tǒng)采用微噴嘴內(nèi)徑為40μm，點陣間距為120μm，制作微陣列材料為碳納米管（carbon nano tube，CNT）溶液，載片為導電玻璃，微噴嘴到載片距離約為2mm，驅(qū)動電壓為50V。

4 結(jié)果

4.1 驅(qū)動電壓對噴點大小的影響

在顯微鏡下測得實驗微噴樣品點直徑如表1所示，最小可達60μm以下。

表1 不同驅(qū)動電壓時的樣品點直徑（μm）Tab.1 Spot diameters（μm）using different driving voltages

圖8 樣品點直徑與驅(qū)動電壓的關(guān)系Fig.8 Relationship between diameters of spots and driving voltages

根據(jù)表1實驗數(shù)據(jù)，建立樣品點直徑（以每組平均值表示）隨驅(qū)動電壓變化的關(guān)系如圖8所示?？梢?，在微噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、嘴射距離、液體黏度等一定的情況下，液滴大小隨驅(qū)動電壓增加而增大，基本成線性關(guān)系。

4.2 驅(qū)動電壓對噴點均一性的影響

對表1中對應(yīng)驅(qū)動電壓40～60（V）的5組30個樣品點進行像素提取和處理，得到每組樣品點相對變動量如表2所示。

表2 樣品點像素相對變動量Tab.2 Relative variation in pixels of the sample spots

以表2中樣品點為橫坐標、相對變動量為縱坐標，得到各樣品點像素相對變化如圖9所示。結(jié)果表明：各樣品點像素的相對變動量基本集中在1附近，而上下波動在0.92到1.08之間，各點的像素數(shù)相差不大。所以，采用數(shù)字流體微量噴射系統(tǒng)進行點制陣列是滿足均一性要求的。

圖9 樣品點像素相對變化Fig.9 Relative change in pixels of the sample spots

4.3 微陣列樣品

將制作完成的碳納米管微陣列放置于CCD攝像頭下，對其進行拍攝并獲取圖像，結(jié)果如圖10所示。表明：樣點直徑＜80μm，噴點基本圓整，陣列規(guī)則，符合微陣列規(guī)整度要求。

圖10 碳納米管微陣列實物圖Fig.10 Microarray for CNT real figure

可見，數(shù)字流體微量噴射系統(tǒng)可用于材料工程等相關(guān)領(lǐng)域的研究。目前，本研究設(shè)計構(gòu)建的系統(tǒng)已用于相關(guān)研究中，進行涂層導電玻璃-碳納米管溶液點陣制備，已獲得噴點直徑為50μm、樣品點間距100μm、噴點圓整、陣列規(guī)則、位置明確的密集微陣列，且符合信號發(fā)射強度要求。

4 討論和結(jié)論

生物芯片微陣列點樣法分為有接觸式和非接觸式兩種，微陣列制備技術(shù)主要評價指標有：容量、密度、點樣尺寸和均一性，其中點樣尺寸和均一性是很重要的指標，因為其決定了微陣列的密度，而微噴頭是生物芯片數(shù)字化微陣列點樣的關(guān)鍵部件。通過上述實驗，對系統(tǒng)的點樣尺寸和均一性進行了測試，結(jié)果表明：本系統(tǒng)采用規(guī)格化噴頭、非接觸式噴點技術(shù)，具有良好的點樣均一性，且噴點基本圓整，陣列規(guī)則，符合微陣列規(guī)整度要求（見圖9和圖10），所以本系統(tǒng)設(shè)計是合理可行的。當然，就噴射技術(shù)的集成化、材料適應(yīng)性、可靠性與使用壽命等3個研究方向而言，由于實驗條件的限制，本系統(tǒng)對于大粘度溶液還較難完成噴射測試，在以后的研究中還需結(jié)合納米分散、微系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)進一步探索，使系統(tǒng)滿足更廣泛的噴射要求。

所設(shè)計并構(gòu)建的數(shù)字流體微量噴射系統(tǒng)，融合了微噴技術(shù)、計算機視覺技術(shù)和智能控制技術(shù)，利用VB語言開發(fā)基于Windows系統(tǒng)的精密二維工作臺運動控制和微量噴射控制程序，研究了在微噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)固定的情況下驅(qū)動電壓對微噴射的影響，進行了微陳列噴點測試。數(shù)字流體微量噴射系統(tǒng)以攝取圖像代替顯微鏡觀察，使微噴點技術(shù)應(yīng)用操作實現(xiàn)自動化；它可通過改變驅(qū)動電壓大小控制樣點直徑，具備數(shù)字化點樣驅(qū)動-控制、二維精確定位、噴射微液滴測量等功能，能滿足數(shù)字化芯片微陣列制備技術(shù)的樣品點尺度和均一性要求；可供生物及醫(yī)藥工程等相關(guān)領(lǐng)域研究使用。另外，可為生物醫(yī)學、藥學、機電工程學及計算機應(yīng)用等多學科交叉技術(shù)研究提供基礎(chǔ)平臺。

［1］張曉樂，侯麗雅，章維一.數(shù)字化微噴射用直列微噴嘴制作工藝［J］.光學精密工程，2008，16（11）：2222-2226.

［2］孫懷遠，周玉棟，廖躍華，等.微噴技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.科技導報，2010，28（20）：97-100.

［3］LinSC，Tseng FG，Huang Haimei，etal.Simultaneous immobilization of protein microarrays by a micro stamper with back-filling reservoir［J］.Sensors and Actuators B，2004，99：174-185.

［4］Radulescu D，Schwade N，Wawro D.Uniform paclitaxel-loaded biodegradable microspheres manufactured by ink-jet technology［J］.Proc Recent Adv in Drug Delivery Sys，2003，2（3）：1-5.

［5］房汝建，侯麗雅，章維一.數(shù)字微陣列點樣噴頭試驗研究［J］.中國機械工程，2005，16（1）：46-50.

［6］孫振銀.數(shù)字化芯片微陣列點樣實驗及穩(wěn)定性研究［D］.南京：南京理工大學，2007.

［7］王勇，崔大付，張璐璐.新型納升級點樣微噴系統(tǒng)的研制［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008，（5）：64-66.

［8］耿鑫，侯麗雅，章維一.微流體數(shù)字化噴點技術(shù)的實現(xiàn)［J］.光學精密工程，2009，17（8）：1903-1907.

［9］熊邦，書余亮，歐巧鳳，等.注射器針頭合格性圖像檢測方法［J］.中國生物醫(yī)學工程學報，2010，29（4）：623-631.

［10］盧陽.基于微流體數(shù)字化技術(shù)的非接觸式點樣實驗研究［D］.南京：南京理工大學，2005.

［11］鄧寧.微陣列生物芯片分析方法研究［D］.杭州：浙江大學，2007.