基于ARM單片機(jī)全自動(dòng)連續(xù)微球制備儀的研制

田寒梅,侯延進(jìn),王建梅,李艷,王雪瑩,王建春,許敏,王立秋,2*

(1.山東省科學(xué)院能源研究所傳遞現(xiàn)象研究中心，山東 濟(jì)南 250014；2.香港大學(xué)機(jī)械工程系，中國(guó) 香港 999077)

基于ARM單片機(jī)全自動(dòng)連續(xù)微球制備儀的研制

田寒梅1,侯延進(jìn)1,王建梅1,李艷1,王雪瑩1,王建春1,許敏1,王立秋1,2*

(1.山東省科學(xué)院能源研究所傳遞現(xiàn)象研究中心，山東 濟(jì)南 250014；2.香港大學(xué)機(jī)械工程系，中國(guó) 香港 999077)

微球在藥物合成及釋放等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,利用傳統(tǒng)的高剪切乳化技術(shù)如相分離法、沉淀法等制備出的微球存在尺寸分布廣、結(jié)構(gòu)不可控的缺點(diǎn)。本文研制了一款基于微流控技術(shù)的全自動(dòng)連續(xù)微球制備儀，該儀器以ARM系列STM32F407型單片機(jī)作為核心控制其各個(gè)執(zhí)行模塊的動(dòng)作，同時(shí)單片機(jī)與觸摸屏PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換處理，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)連續(xù)制備微球的功能。測(cè)試結(jié)果表明，儀器連續(xù)工作80 h工作穩(wěn)定，且制備出的微球粒徑均勻、結(jié)構(gòu)可控。

微流控技術(shù)；ARM單片機(jī)；全自動(dòng)微球制備儀

微球相對(duì)于傳統(tǒng)的材料具有顆粒小、比表面積大、流動(dòng)性好等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在藥物傳送與控制釋放、活性物質(zhì)封裝保護(hù)、微反應(yīng)以及微分離等方面具有極其廣泛的應(yīng)用，目前已成為生長(zhǎng)因子、抗生素、抗癌藥物的理想載體，備受關(guān)注[1-3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的微球制備方法，微流控液滴技術(shù)及微流控器件是近年來(lái)發(fā)展迅速的多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，利用微流控液滴技術(shù)制備的微球都具有形狀相同且可控的特性，能更好地發(fā)揮作用。微流控技術(shù)為可控制備具有不同結(jié)構(gòu)和功能的微球提供了一個(gè)更為優(yōu)越的平臺(tái)[4-5]。

微流控液滴技術(shù)一般是指將兩種不相融的流體作為分散相和連續(xù)相分別通入微流控芯片，對(duì)進(jìn)入微通道的流體進(jìn)行精確操控，從而實(shí)現(xiàn)液滴的生成、輸運(yùn)、合并等功能，液滴生成后可原位固化形成微球[6]。現(xiàn)有利用微流控液滴技術(shù)制備微球的裝置是利用不同規(guī)格的注射器與微流控芯片相連，通過(guò)推動(dòng)注射器來(lái)驅(qū)動(dòng)流體進(jìn)入微流控芯片，實(shí)現(xiàn)液滴的生成及原位固化?，F(xiàn)有裝置的缺點(diǎn)是微球產(chǎn)量受注射器容量影響很大，注射器內(nèi)的樣品耗盡即微球制備停止，必須手動(dòng)向注射器內(nèi)添加樣品才能繼續(xù)制備微球，無(wú)法長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定的工作，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化批量生產(chǎn)，制備過(guò)程中需要全程人為干預(yù)。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)技術(shù)裝置的不足，本文設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)微球制備儀，該儀器在自動(dòng)制備微球過(guò)程中無(wú)需人為干預(yù)，所有的實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以通過(guò)PC機(jī)觸摸屏給定和監(jiān)視，并能對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄；同時(shí)，該儀器也可用于手動(dòng)改變參數(shù)，探索不同工藝對(duì)微球性能的影響。

1 全自動(dòng)微球制備儀的構(gòu)成及功能

1.1 微球制備儀的構(gòu)成

全自動(dòng)微球制備儀主要由PC機(jī)觸摸屏、主控制器、執(zhí)行模塊及通訊模塊構(gòu)成，構(gòu)成原理圖如圖1所示。

所用主控制器為STM32F407系列ARM單片機(jī)，包括RCC時(shí)鐘模塊并集成了5個(gè)USART串口；該主控制器通過(guò)通訊模塊分別連接PC機(jī)觸摸屏及執(zhí)行模塊；執(zhí)行模塊包括注射器、步進(jìn)電機(jī)、切換閥、上限位開(kāi)關(guān)、下限位開(kāi)關(guān)，上、下限位開(kāi)關(guān)分別設(shè)置在注射器的上方和下方，切換閥設(shè)置在注射器的頂端，步進(jìn)電機(jī)設(shè)置在注射器后方，用來(lái)驅(qū)動(dòng)所述注射器上行或下行，執(zhí)行模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示；通訊模塊包括RS485串口、RS232串口。

1 主控制器；2 執(zhí)行模塊；3 通訊模塊；4 PC機(jī)觸摸屏圖1 基于ARM單片機(jī)全自動(dòng)微球制備儀的結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Principle diagram of theautomatic microspheres instrument based on ARM microcontroller

圖2 執(zhí)行模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the execution module

1.2 各構(gòu)成模塊的功能

主控制器通過(guò)RS232串口以MODBUS從站的方式與PC機(jī)觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)執(zhí)行模塊進(jìn)行輪詢，并將接收到的PC機(jī)觸摸屏發(fā)出的改變參數(shù)的指令發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)控制部分，步進(jìn)電機(jī)控制部分對(duì)主控制器發(fā)出的輪詢指令進(jìn)行響應(yīng)，接收主控制器發(fā)出的參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂?、對(duì)切換閥的開(kāi)關(guān)的控制、對(duì)上限位開(kāi)關(guān)及下限位開(kāi)關(guān)的檢測(cè)、對(duì)注射器的上行速度及下行速度的控制。

主控制器通過(guò)RS485串口以主站輪詢的方式讀取步進(jìn)電機(jī)的啟停、注射器內(nèi)樣品的余量、切換閥的開(kāi)關(guān)、上限位開(kāi)關(guān)、下限位開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，并將讀取的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)觸摸屏。

主控制器通過(guò)無(wú)寫入次數(shù)限制的RCC時(shí)鐘模塊中預(yù)留的帶電存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)對(duì)注射器內(nèi)樣品的余量的實(shí)時(shí)記錄，實(shí)現(xiàn)了掉電后當(dāng)前運(yùn)行位置不丟失的功能。

2 全自動(dòng)微球制備儀的工作流程

完成開(kāi)機(jī)后，將參數(shù)輸入PC機(jī)觸摸屏，PC機(jī)觸摸屏將指令通過(guò)MODBUS協(xié)議RS232接口發(fā)送給主控制器；主控制器將接收到的PC機(jī)觸摸屏傳送的指令發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)控制部分，步進(jìn)電機(jī)控制部分對(duì)主控制器發(fā)出的指令進(jìn)行響應(yīng)，接收主控制器發(fā)出的參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟停控制(具體包括：步進(jìn)電機(jī)控制部分中的AVR系列8位單片機(jī)MEGA16根據(jù)主控制器給定的指令，通過(guò)其內(nèi)部PWM模塊發(fā)送頻率可變、占空比不變的脈沖給TB6560電機(jī)專用控制芯片以控制轉(zhuǎn)速，通過(guò)I/O口控制所述步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向)、對(duì)切換閥的開(kāi)關(guān)的控制、對(duì)上限位開(kāi)關(guān)及下限位開(kāi)關(guān)的檢測(cè)，對(duì)注射器的上行速度及下行速度的控制；主控制器通過(guò)RS485串口以主站輪詢的方式讀取步進(jìn)電機(jī)、注射器、切換閥、上限位開(kāi)關(guān)及下限位開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，包括步進(jìn)電機(jī)的啟停、注射器內(nèi)樣品的余量、切換閥的開(kāi)關(guān)、上限位開(kāi)關(guān)及下限位開(kāi)關(guān)的檢測(cè)，并將所讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)MODBUS協(xié)議RS232接口傳送給PC機(jī)觸摸屏；當(dāng)檢測(cè)到上限位時(shí)，主控制器控制所述切換閥打開(kāi)，按照設(shè)定好的下行速度自動(dòng)抽取樣品，當(dāng)檢測(cè)到下限位時(shí)，主控制器控制步進(jìn)電機(jī)停止，控制切換閥關(guān)閉，按照設(shè)定好的上行速度進(jìn)行灌注。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，切換閥關(guān)閉，4個(gè)步進(jìn)電機(jī)上行灌注，若上行過(guò)程中沒(méi)有檢測(cè)到上限位則保持灌注狀態(tài)，若上行過(guò)程中檢測(cè)到上限位，則對(duì)應(yīng)切換閥打開(kāi)，步進(jìn)電機(jī)下行抽取；若抽取過(guò)程中沒(méi)有檢測(cè)到下限位則繼續(xù)抽取，相應(yīng)地如果檢測(cè)到下限位則對(duì)應(yīng)切換閥關(guān)閉，延時(shí)一定時(shí)間，4個(gè)步進(jìn)電機(jī)上行灌注，循環(huán)此過(guò)程，實(shí)現(xiàn)微球的全自動(dòng)連續(xù)制備。實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)連續(xù)制備微球的方法的流程如圖3所示。

圖3 全自動(dòng)連續(xù)制備微球流程示意圖Fig.3 low automatic continuous prepar microspheres

3 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果

利用開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)微球制備儀和設(shè)計(jì)好的PDMS芯片，以鹽酸、石蠟油為分散相，以PVA水溶液為連續(xù)相制備PVA微球，分別測(cè)試了全自動(dòng)微球制備儀的穩(wěn)定性和不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下微球粒徑的均一性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在樣品量一定的情況下，微球制備儀可以自動(dòng)進(jìn)行樣品的抽取和灌注，工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)80 h直至某一樣品耗盡，實(shí)現(xiàn)了儀器的穩(wěn)定運(yùn)行；保持分散相的流速和芯片不變，改變連續(xù)相的流速做了7組實(shí)驗(yàn)，測(cè)量并計(jì)算了制備所得微球的粒徑和變異系數(shù)(CV)(變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)，CV曲線如圖4所示，其中CV值最大為0.032，可知，此狀態(tài)下制備所得的微球粒徑均一度高。

圖4 制備所得微球粒徑的CV曲線Fig.4 The CV curve of the microspheres

4 結(jié)論

本文研制的全自動(dòng)微球制備儀采用以ARM單片機(jī)為核心的控制器將所涉及的各部件聯(lián)接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)其各個(gè)部分的功能，利用限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)位置修正，充分保證了執(zhí)行模塊動(dòng)作的可靠性和精度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，全自動(dòng)微球制備儀可以自動(dòng)穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，且得到的產(chǎn)品質(zhì)量高，有廣闊的市場(chǎng)前景，可以實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。

[1]GUNGOR-OZKERIM P S, BALKAN T, KOSE GT, et al. Incorporation of growth factor loaded microspheres into polymeric electrospun nanofibers for tissue engineering applications [J]. J Biomed Mater Res A, 2014, 102(6): 1879.

[2]ZHU X, ZHOU D, GUAN S, et al. Preparation and characterization of novel multi-core chitosan microspheres for stomach-specific delivery of hydrophilic antibiotics [J]. J Mater Sci Mater Med, 2012, 23(4): 983.

[3]WENG L H, ROSTAMZADEH P, NOORYSHOKRY N, et al. In vitro and in vivo evaluation of biodegradable embolic microspheres with tunable anticancer drug release [J]. Acta Biomater, 2013, 9(6):6823.

[4]汪偉,謝銳,巨曉杰,等. 微流控法制備新型微顆粒功能材料研究新進(jìn)展[J]. 化工學(xué)報(bào), 2014, 65(7): 2555-2562.

[5]陳曉東,胡國(guó)慶. 微流控器件中的多相流動(dòng)[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2015, 45:55-110.

[6]趙述芳,白琳,付宇航,等. 液滴流微反應(yīng)器的基礎(chǔ)研究及其應(yīng)用[J]. 化工進(jìn)展, 2015, 34(3):593-608.

DevelopmentofanautomaticandcontinuousmicrospherespreparationinstrumentbasedonARMmicrocontroller

TIANHan-mei1,HOUYan-jin1,WANGJian-mei1,LIYan1,WANGXue-ying1,WANGJian-chun1,XUMin1,WANGLi-qiu1,2*

(1.CenterforTransportPhenomena,EnergyResearchInstitute，ShandongAcademyofSciences,Jinan250014,China;2.DepartmentofMechanicalEngineering,UniversityofHongKong,HongKong999077,China)

∶Microspheres cover a wide range of applications such as drug synthesis and release. Microspheres fabricated by conventional high-sheer emulsification techniques, for instance phase separation and precipitation, have the defects of a large polydispersity in size and a high variability in structure. However, droplet microfluidic technology can overcome the problems. In this paper, based on microfluidic technology, an instrument was developed for precisely synthesizing microspheres in an automatic and continuous manner. The STM32F407 microcontroller of ARM series was the core of the instrument, which controlled the action of each execution module and communicated data with PC touching-screen. Results show that the instrument can work continuously for 80 hours, and enables an automatic and continuous preparation of microspheres with uniform and well-controlled size.

∶droplet microfluidic technology; ARM microcontroller;automatic microspheres preparation instrument

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.015

2017-02-13

山東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2015GSF121048)；山東省科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)；國(guó)家自然科學(xué)基金(20165094)；山東省自然科學(xué)基金博士基金(ZR2016BB15)；2015年山東省科學(xué)院院基礎(chǔ)基金；山東省科學(xué)院青年基金(2016QN006)；山東省自然科學(xué)三院聯(lián)合基金(ZR2015YL006)

田寒梅(1989-)，女，研究實(shí)習(xí)員，研究方向?yàn)槲⒘骺貙I(yè)微球制備和全自動(dòng)微球裝置研發(fā)工作。

*通信作者，E-mail:lqwang@hku.hk

TP273

A

1002-4026(2017)06-094-05