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

该方法有助于推动任何需要精确液体处理领域的研究，包括分子生物学、细胞生物学和系统生物学、化学工程以及微加工技术。此方法的主要优势在于，我们能够制造低成本的压力调节式注射泵。该技术有望在众多学科领域中节约经费。

该技术展示了如何将增材制造与开源电子技术相结合，以制造出实用的实验室仪器设备。首先，从本文的补充文件中下载 STL 设计文件。通过使用专用于将 STL 模型文件转换为所用 3D 打印机可执行指令集的软件程序打开这些文件，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能够直接从STL文件进行打印。现在使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（acrylonitrile butadiene styrene）并采用高质量的3D打印机设置来打印塑料部件。如果使用其他常见的3D打印材料，例如聚乳酸（polylactic acid）或其他热塑性弹性体，请确保最终的机械性能相当。

完成后，将打印件从 3D 打印机的打印平台上取下。从成品部件上拆除打印出的支撑结构。使用砂纸打磨任何粗糙的边缘，以使打印部件表面光滑。

为获得最佳效果，请使用粒度低于220的砂纸。组装前确保所有部件表面光滑，并确认七个部件均已打印完成。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，请确保旋转步进电机轴能够无滑动地驱动螺纹杆。通过将注射器平台的连接销牢固地压入电机连接器顶部的对应孔中，将注射器平台连接到电机连接器上。通过从电机连接器一侧穿入四颗16毫米螺丝并拧紧，将两部分固定在一起。

现在将两个直线轴承和一个0.8毫米的六角螺母插入滑块推杆底部的孔中。将电机连接器上的螺纹杆穿过滑块推杆中的0.8毫米六角螺母。然后将两根直线轴穿过电机连接器中的滑块推杆。

现在将两个六角螺母放入电机连接件的六角形孔中，然后使用两个16毫米螺丝拧紧连接，以固定线性轴防止其移动。将滚珠轴承插入端盖中间的开口中。将端盖与已组装的部件连接。

将两个六角螺母放入端盖部件的六角形孔中，然后使用两个16毫米螺丝拧紧连接，将端盖固定到组件上。接下来，使用两个钢制锁紧螺母和两个16毫米螺丝，将注射器推杆母接头部件连接到滑块推杆部件上。将一个10毫升注射器安装在泵的顶部。

确保推杆头部对准注射器推杆母接头的凹槽，且注射器筒顶部固定在电机连接件的槽口中。现在将注射器推杆公接头插入注射器推杆母接头中。使用两个六角螺母和两根35毫米螺丝，将注射器夹具连接到注射器平台，确保注射器筒固定在注射器夹具的槽口中。

确保固定柱塞的公母部件之间紧密贴合。随后按照文本方案中的说明进行微流控装置的制备。开始组装注射泵系统时，使用剃刀去除压力传感器电线电缆80%长度的绝缘层和屏蔽层。

切割时动作要轻柔，确保导线在所需长度以上不受损伤。去除绝缘层和屏蔽层后，将导线连接至公头矩形连接器。采用类似方法，从步进电机的引线上去除一至两厘米的绝缘层，并将导线连接至公头矩形连接器。

现在将注射器连接到压力传感器的进样端。将22号分配针头连接到压力传感器的出样端。将一段直径为0.51厘米的管路套在连接于压力传感器的22号分配针头上。

将管路的另一端套在可连接至微流控装置的22号 dispensing 针头上。然后将针头连接至微流控装置的入口端口。使用22号针头和直径0.51厘米的管路，将微流控装置的出口端口连接至废液收集储液池，连接方式与入口端口类似。

接下来，根据文本方案中的示意图，将电子电路组装在原型面包板上。将步进电机的导线连接至步进电机驱动器，然后将压力传感器和步进电机驱动器的导线连接到面包板。

现在将面包板的输出信号连接到微控制器的模拟输入引脚。将步进电机驱动器的逻辑输入引脚连接到微控制器的数字引脚。步进电机驱动器上的步进输入端连接至微控制器数字引脚中标有波浪号（~）的脉宽调制端口。

按照文中所示，将电源连接到面包板。然后将电源输出设置为10伏，用于面包板和步进电机驱动器。要控制注射泵的压力，首先打开开源微控制器的集成开发环境（IDE）。

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

下载名为 Dual Pump PID Control.INO 的控制器代码。该代码用于控制带有两个泵的反馈控制注射泵系统。根据所进行的实验，对控制器代码进行编程以适配实验需求。

根据实验所需的响应和持续时间，调整控制参数中的时序参数。在运行实验之前，编译代码并将其上传至微控制器。开启注射泵系统的电源。

最后，将步进电机电源的电压设置为 10 伏。此处展示的是控制参数调节的代表性结果。如图所示，修改比例系数会导致压力信号产生不同的响应曲线。

修改积分和微分系数也会导致响应曲线的变化。可根据不同的实验设计对参数进行优化。此处展示的是在微流控装置中对层流流动曲线进行控制和调节的代表性结果。

通过控制 Y 形微流控装置两个入口端口的进样压力，可精确控制下游界面位置。在此操作流程基础上，可进一步开展细胞培养和显微镜观察等其他技术，以研究合成基因网络调控动力学、细胞生理学以及生物调控网络相关的问题。这些注射泵系统已帮助我们课题组更快速地开发微流控实验方法。

这些装置是一种经济高效且节省时间的方法，可让研究团队同时控制多个不同微流控装置中的流体流动。我们希望来自广泛学科领域的研究人员都能使用并进一步拓展这些压力调控式注射泵，以满足其微流控实验需求。