面向细胞打印的气动阀控式微滴喷射装置的设计与验证

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1、中文图书分类号：R319密级：公开UDC：621.38学校代码：10005硕士学位论文MASTERALDISSERTATION论文题目：面向细胞打印的气动阀控式微滴喷射装置的设计与验证论文作者：聂志雄学科：电子科学与技术指导教师：王志海教授论文提交日期：2017年4月UDC：621.38学校代码：10005中文图书分类号：R319学号：S201402058密级：公开北京工业大学工学硕士学位论文题目：面向细胞打印的气动阀控式微滴喷射装置的设计与验证英文题目：DESIGNANDVERIFICATIONOFPNEUMATICVALVECONTROLLEDDROPLETINJECT

2、IONDEVICEFORCELLPRINTING论文作者：聂志雄学科专业：电子科学与技术研究方向：电路与系统申请学位：工学硕士指导教师：王志海教授所在单位：信息学部微电子学院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：聂志雄日期：2017年06月

3、22日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：聂志雄日期：2017年06月22日导师签名：王志海日期：2017年06月22日摘要摘要基于微滴喷射的细胞打印是细胞图形化的重要技术手段。其潜在应用包括组织器官3D打印及相关疾病的治疗等。实现细胞打印后的高成活率是整个工程的重要环节，直接影响着打印后组织器官的活性和功能。为了研究喷射过程对细胞活性的影响，设计并搭建了一套基于气

4、动阀控技术的按需微滴喷射装置。该装置主要部件包括储液腔体、位于腔体底部的100µm直径喷嘴、以高速电磁阀和放气管为核心的气路以及系统稳定工作检测系统。该装置利用高速电磁阀产生气体压强脉冲，迫使储液腔内液体挤出喷嘴，形成液滴；气体随后经放气管排出，恢复储液腔内气压平衡。液滴拍照系统证实，该装置在不高于25Hz喷射频率下工作稳定。实验实现了对人外周血淋巴细胞（直径10-15µm）和支气管上皮细胞（直径50-70µm）的喷射。当细胞直径远小于喷孔直径时，喷射过程对细胞活性影响可忽略；如果细胞直径与喷孔直径相当，喷射后细胞成活率显著下降。为了进一步提升喷射频率，从优化储液腔体结构和

5、电磁阀控制两个途径做出改进。结果显示最高喷射频率由25Hz提升到70Hz，提升效果明显。利用优化后的喷射装置进行细胞喷射实验，发现大幅提高喷射频率对细胞活性无显著影响。气动阀控微液滴喷射技术有望应用在细胞打印领域，并为实现组织器官打印提供基础。关键词：微滴按需喷射；气动阀控；细胞打印；细胞活性-I-AbstractAbstractCellprintingwhichisbasedonmicro-dropletjettingisanimportantapproachforpatterningofcells.Itspotentialapplicationsinclude3Dpri

6、ntingoforgansortissues,whichmightbeusedforresearchesofrelateddiseases.Realizingahighviabilityofcellsafteraprintingprocessiscertainlycrucialforthistechnology.Toprintcellsandmaintainhighcellviability,apneumaticdroplet-on-demand(DOD)systemisdesigned.Thekeycomponentsofthesystemincludeachamberf

7、orliquidsample,atinyorificeof100micron.ThechamberisconnectedtoaNitrogengastankwithahighspeedsolenoidvalve,andtotheambiancewithaventingtube.AphotographicsystemisusedtoevaluatetheuniformityandconsistencyoftheDODsystem.Apressurepulseiscreatedwithinthechamberviaco