一种微量给药装置及控制系统的制作方法

1.本发明属于微量给药技术领域，更具体地，涉及一种微量给药装置及控制系统。


背景技术：

2.在细胞实验中，给细胞药物刺激以观测细胞反应，是细胞测试中常用的技术手段，而在生物实验中，药物本身具有用量少、难回收且价格昂贵等特点，因此，在显微镜下，对单个细胞、细胞团或组织进行微量给药，以观察细胞的反应，这种操作在电生理等细胞实验中应用广泛。
3.然而，传统给药技术通常使用蠕动泵或者步进电机控制丝杠的机械结构推动注射针头等方式，这种给药方式很难实现纳升和皮升级给液，主要是受限于蠕动泵本身的精度和步进电机驱动丝杠运动的的最小运动距离，另一方面由于注射器本身是非标准圆柱，使得运动给药中，给药量会有所变动，难以控制稳定均匀的皮升级微量给药，且每次给药需要一定的工作时间，难以实现用于观察细胞毫秒级瞬态反应的快速给药。
4.另外，专利cn202210111379.8细胞显微注射装置和控制方法，其采用了压电陶瓷环来精密控制给药量，虽实现了皮升级的给药控制，但存在如下问题：
5.如用药量太大，生物药品往往十分昂贵，药剂用量大成本较高；分阶段压缩扩张注射腔用时较长，难以很好满足观察细胞瞬态反应快速注射的需求，且调整注射量比较困难；另外，其结构复杂，制作难度高，维护较为麻烦。因此，亟需一种皮升级快速精准微量给药，能够满足观察细胞毫秒级瞬态反应的要求，且注射量易调节、结构简单、易制作的微量给药装置。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微量给药装置及控制系统，其目的在于提供一种微量给药装置，采用玻璃细管作为药剂储存器，其一端呈毛细管状，另一端与多进一出通路连接，采用双压力控制药剂是否输出及其输出速度，由此解决现有给药装置用药量大、成本高，分阶段压缩扩张注射腔用时较长，难以很好满足观察细胞瞬态反应快速注射的需求的技术问题。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微量给药装置，其包括玻璃细管、多进一出通路；
8.所述玻璃细管用于储存药剂，其一端呈毛细管状，用于微量注射药物，另一端与多进一出通路的出气通路连接；
9.所述多进一出通路的多条进气通路中保持一条进气通路常开，其压力大小与药剂和毛细管内壁的毛细管力大小相当；
10.给药时，所述多进一出通路的其他进气通路开通，使玻璃细管中压力超过药剂与毛细管内壁的毛细管力，通过控制进气通路中的压力大小使药剂从玻璃细管中输出。
11.优选地，所述微量给药装置，其所述玻璃细管，毛细管一端管口内径在10-50um之
间。
12.优选地，所述微量给药装置，其所述玻璃细管，与出气通路连接的一端管口内径在0.5-1.12mm之间。
13.优选地，所述微量给药装置，其所述给药装置还包括通路控制器，所述通路控制器，包括电磁阀、机械阀、或电动开关；所述多进一出通路为两进一出通路，其中两个进气通路为第一通路和第二通路，第一通路保持常开；所述通路控制器设置于两进气通路交汇处或者出气通路，通路控制器接收信号后由第一通路切换到第二通路，第二通路被开通形成给药进气通路或者通路控制器设置于第二通路处，通路控制器接收信号后开通第二通路，第一通路和第二通路形成给药进气通路。
14.优选地，所述微量给药装置，其所述通路控制器为两进一出的三通电磁阀，设置于两进气通路与出气通路交汇处；所述电磁阀，开关速度小于等于5微秒。
15.优选地，所述微量给药装置，其所述给药装置，还包括压力控制器，所述压力控制器，压力控制范围为0-8000mbar，压力控制的精度≥0.5％，控制第一通路中压力大小与药剂和毛细管内壁的毛细管力大小相当，和/或控制第二通路中的压力，使药剂输出。
16.优选地，所述微量给药装置，其第一通路和第二通路为硬质管道，出气通路为硬质管和软管组合连接，软管一端与玻璃细管连接。
17.按照本发明的另一方面，还提供了一种如本发明所述微量给药装置的控制系统，其包括数据输入模块、压力控制模块和电磁阀控制模块；
18.所述数据输入模块，用于输入进气通路的预设压力数据，并将压力数据提交给压力控制模块；
19.所述压力控制模块，用于接收输入的压力数据，并按输入值控制对应进气通路的压力；
20.所述电磁阀控制模块，用于依据接收的控制信号或者实验需要控制电磁阀的开关状态和时序。
21.优选地，所述微量给药装置控制系统，其所述预设压力，第一通路预设压力10-1500mbar，用于防止药剂回流；第二通路预设压力30-4000mbar，用于控制药剂输出速度。
22.优选地，所述微量给药控制系统，其所述电磁控制模块，根据实验所需药剂的用量，控制电磁阀开关，进行通路切换。
23.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
24.本发明提供的微量给药装置，采用玻璃细管作为储药器，其一端呈毛细管状，毛细管管口内径可达10-50um，能够用于微量给药；玻璃细管另一端与多进一出通路中出气通路连接，所述多进一出通路中保持一条通路常开，在玻璃细管注入药剂后该常开通路形成封闭气道，通过控制该常开通路中压力与毛细效应产生的毛细管力大小相当，防止细胞培养液或者组织培养液等溶液回流；开通其他进气通路形成给药通路，通过控制给药通路中压力使药剂稳定输出。
25.该微量给药装置，采用双路气压控制，可有效防止回抽细胞，药物，培养液，浴液，空气等，保证给药的持续均匀一致性，通过调节进气通路中压力大小控制药物的输出量，可实现快速且微量的药物输出，操作简便快速，可满足观察细胞瞬态反应快速注射的实验需
求。
附图说明
26.图1是实施例1中微量给药装置示意图；
27.图2是玻璃细管示意图；
28.图3是实施例1中两进一出通路连接示意图；
29.图4是实施例2中两进一出通路连接示意图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.通过精确控制给药位置和给药量，实现单细胞或多细胞给药，能够更有针对性地实现单细胞细胞内和细胞外不同位置给药，以满足细胞筛选、药物筛选、电生理等不同的试验的需求。然而，现有的微量给药装置一般结构复杂、调整注射量难，药剂需要储存较大量、难回收，且难以满足观察细胞瞬态反应的快速注射需求，这主要是因为细胞给药后其瞬时反应是毫秒级的反应，传统的给药装置难以达到这种给药速度。
32.本发明采用玻璃细管与多进一出通路相连接，其中玻璃细管作为储药器，玻璃细管的一端呈毛细管状，用于注射药剂，玻璃细管体积较大利于储存药剂和持续给药，前端呈毛细管状，口径细，可用于微量给药，尤其是口径大小在微米级别，控制更精准。例如将生物实验中用来注射病毒的玻璃管的一端通过拉制仪拉制成管口内径在10-50um的毛细管状，作为本发明给药装置的储药器，可用于精准微量给药。
33.但采用毛细管注射药剂，管口径越细小，毛细效应越不容忽视，容易发生回流，难以保证给药的一致性；本发明采用玻璃细管与多进一出通路的出气通路连接，并保持一条进气通路常开，在玻璃管注入药剂后形成封闭气道，通气后保持该常开通路中压力与克服药剂与毛细管(玻璃管尖端)内壁的引力相当，可防止毛细效应，能有效防止回流，进而保证给药的持续均匀一致性。
34.单通道气路给气，通过调节单通道给气的大小，可实现不回流和给药的技术方案,但由于单通道操控中管内压力变化缓慢，给压和切断时长都较长，不便于快速精准控制,在微量给药情况下造成给药量误差较大。本发明采用多进一出的进气通路,从原理上实现了给药压力离散化,精准控制给药量和给药时间。
35.进一步地，采用通路控制器快速切换或开关进气通路，形成给药进气通路，控制给药进气通路中的压力使药剂输出，调节给药进气通路中压力大小进而调节药剂输出速度的大小，利于快速精准调节药剂的输出量。
36.本发明提供了一种微量给药装置，包括玻璃细管、多进一出通路；
37.所述玻璃细管用于储存药剂，其一端呈毛细管状，用于微量注射药物，另一端与多进一出通路中出气通路连接；
38.所述多进一出通路的多条进气通路中保持一条通路常开，在玻璃细管注入药剂
时，形成封闭的气道，开通气源通气后，缓慢增加压力，使药剂到达玻璃细管尖端(毛细管处)，并控制该常开通路中压力大小与药剂和毛细管(玻璃细管尖端)内壁之间产生的毛细管力大小相当，用于防止毛细效应导致的液体回流；给药时，开通其他进气通路形成给药通路，通过控制给药通路中的压力使药剂从玻璃细管中输出。
39.优选，所述毛细管药剂输出一端管口内径在10-50um之间，毛细管口径尺寸越小，单位时间内药物输出量越小，控制越精准，这种设计利于实现微量给药和精准控制给药量。实验中通过精密平移台加持，能够实现单细胞细胞内和细胞外不同位置给药，满足细胞筛选、药物筛选、电生理等不同的试验的需求；
40.更优选，所述玻璃细管，与出气通路连接的一端管口内径在0.5-1.12mm之间，基于精密控制考虑，管径较小，所需药物溶液用量较少。
41.在一些实施例中，采用两进一出通路与玻璃细管连接，其中两个进气通路均采用硬质管道；出气通路采用硬质管和软管组合连接，其中软管一端与玻璃细管连接，另一端与硬质管连接，为防止给药时因软管自身形状改变导致通路内气压变化，保障通路内气压稳定，软管的管道越短越好，仅起连接作用即可。
42.进一步地，所述微量给药装置，还包括通路控制器，所述通路控制器，包括电磁阀、机械阀或者电动开关，用于控制给药进气通路的开启或关闭；
43.在一些实施例中，进气通路包括第一通路和第二通路；其中第一通路保持常开，在注射药剂时，通路控制器接收信号切换到第二通路，开通第二通路，第二通路形成给药进气通路，调节给药进气通路中压力大小控制给药速度；药剂注射完毕时，通路控制器将关闭第二通路，使给药进气通路关闭，停止给药；
44.在一些实施例中，进气通路包括第一通路和第二通路；其中第一通路保持常开，在注射药剂时，通路控制器接收信号开通第二通路，第一通路和第二通路形成给药进气通路，调节第二通路中压力大小控制给药速度；药剂注射完毕时，通路控制器关闭第二通路，停止给药；
45.其中第一通路的压力控制在10-1500mbar，用来抵消毛细效应防止液体回流，给药进气通路(第二通路或者第一通路和第二通路)压力控制在30-4000mbar，可以使药物从玻璃毛细管中输出，这两个压力值的大小跟所使用的毛细管口的尺寸、液体的粘度、液体与毛细管内壁的毛细管力等有关，毛细管口尺寸越小、液体粘度越大，所需要的压力越大，进气通路压力大小应根据实验实际情况进行调节。
46.所述通路控制器，优选两进一出三通电磁阀；所述电磁阀设置于两进气通路与出气通路交汇处，电磁阀开关速度小于等于5微秒，可实现第一通路和第二通路之间快速切换，控制给气时间，实现微量精确给药，利于在显微镜下观察细胞瞬时反应。
47.进一步地，所述微量给药装置，还包括压力控制器，所述压力控制器，压力控制范围为0-8000mbar，压力控制的精度≥0.5％，用于控制第一通路的压力与药剂与毛细管内壁之间的毛细管力相当，防止药剂回流，优选第一通路中压力控制在10-1500mbar；和/或控制第二通路的压力，第二通路的压力，根据药剂粘度和给药端毛细管口内径大小进行调节控制，使得药剂能稳定流出即可，优选第二通路中压力控制在30-4000mbar。
48.压力控制器的另一端设有气源外接口，优选在压力控制器与气源之间设有减压阀，气源与减压阀之间以及减压阀与压力控制器之间均采用硬质气管连接，采用减压阀利
于更准确地控制进入压力控制器的气源压力；所述气源，为压力大于6000mbar的压缩空气或其他气体，例如气瓶、供气站或空压机只要气压满足要求即可，优选，洁净度高的氮气。
49.在一些实施例中，压力控制器选用自带控制系统的压力器；
50.在一些实施例中，压力控制器通过接收上位机信号进而控制进气通路中的压力值。
51.另外，本发明还提供了一种微量给药装置控制系统，其包括数据输入模块、压力控制模块、通路控制模块；
52.所述数据输入模块，用于输入进气通路的预设压力值，并将压力数据提交给压力控制模块；其中第一通路预设压力为10-1500mabar，用于防止药剂回流；第二通路预设压力为30-4000mbar，用于控制药剂输出速度；
53.所述压力控制模块，用于接收输入的压力数据，按输入值控制对应进气通路的压力；
54.所述通路控制模块，用于依据接收的控制信号或者实验需要控制进气通路的开关状态和时序；优选根据实验所需药剂的用量，控制电磁阀开关，进行通路切换。
55.以下为实施例：
56.实施例1微量给药装置1
57.所述微量给药装置1，如图1所示，包括玻璃细管、两进一出通路、通路控制器和压力控制器；
58.所述玻璃细管一端与两进一出通路中出气通路连接，另一端呈毛细管状，玻璃细管按照如下方法制备获得：
59.选取外径2mm，内径0.75mm的玻璃管，采用玻璃管拉制仪拉制出尖端，获得尖端管口内径约10um，外径约27um呈毛细管状的玻璃细管，如图2所示；
60.所述两进一出通路，进气通路包括第一通路和第二通路，在第一通路、第二通路和出气通路的交汇处设置一个通路控制器，所述通路控制器为两进一出的电磁阀控制器，进而形成两进一出通路，如图3所示，其中第一通路保持常开；具体的：
61.第一通路和第二通路均为外径2mm，内径1mm的特氟龙硬质管，分别与电磁阀两进口连接，采用倒锥直通接头接入第一通路和第二通路；出气通路由外径2mm，内径1mm的特氟龙硬质管和与之匹配硅胶软管的组合连接而成，其中硬质管一端与电磁阀出口连接，硬质管另一端通过软管与玻璃细管连接，形成两进一出通路，软管管道越短越好，仅起连接作用即可；
62.所述电磁阀控制器，开关速度为3微秒，外设触发接口，用于接收上位机指令，继而控制电磁阀的开关状态和时序；第一通路常开，注射药剂时，电磁阀控制器接到信号切换到第二通路，第二通路被开通，形成给药进气通路；
63.所述压力控制器，分别设置在第一通路和第二通路进气处，压力控制范围为0-8000mbar，控制精度在0.1％fs；压力控制器设有上位机接口，通过上位机输出信号控制压力控制器，使得第一通路或第二通路内气体按照预设压力稳定输出；所述压力控制器与外接气源之间采用外径4mm，内径2mm的特氟龙硬质气管连接，接口为快插接口。
64.实施例2微量给药装置2
65.所述微量给药装置2，包括玻璃细管、两进一出通路、通路控制器、压力控制器和减
压阀；
66.所述玻璃细管一端与两进一出通路中出气通路连接，另一端呈毛细管状，玻璃细管按照实施例1中制备方法获得尖端管口内径约50um，外径约70um呈毛细管状的玻璃细管；
67.所述两进一出通路，包括第一通路、第二通路和出气通路，第一通路、第二通路和出气通路连接形成两进一出通路，如图4所示；其中第一通路保持常开，在第二通路处设置一个通路控制器，所述通路控制器为电磁阀控制器，注射药剂时，电磁阀控制器接到信号开通第二通路，第一通路和第二通路形成给药进气通路；电磁阀开关速度为5微秒；
68.所述压力控制器，设置在第一通路和第二通路进气处，压力控制器为自带压力控制系统的压力控制器，压力控制范围在0-8000mbar，控制精度在0.5％；
69.所述减压阀设置于压力控制器与外接气源之间，气源与减压阀之间以及减压阀与压力控制器之间均采用外径4mm、内径2mm的特氟龙硬质气管连接，接口为快插接口。
70.实施例3采用微量给药装置注射药物1
71.采用实施例1的微量给药装置，在不影响实验的基础上，尽量缩短电磁阀与玻璃细管之间的出气通路，本实施例采用0.5米出气通路；注射与染料粘度等性质相似药剂，具体操作如下：
72.(1)确定进气通路的气体压力：将带颜色的染料溶液注入到微量给药装置中玻璃细管内(方便观察液面位置)。将玻璃细管固定到精密平移台上，移动平移台将玻璃细管尖端插入载物台上装有培养基的培养皿里，调整显微镜，将其焦点聚到玻璃细管顶端毛细管处，观察染料液面位置，将第一通路的气压值从0mbar缓慢增加，直到染料的液面与毛细管端面平齐，记录此时通道1的气压并保持，本实验为100mbar，即第一通路压力控制在100mba；
73.通过上位机给电磁阀控制器输出信号，将第二通路打开，缓慢增加第二通路的气压，直到染料可以稳定流出，记录下此时的气压，本实验为150mbar，即第二通路压力控制在150mbar。
74.(2)清洗干净玻璃细管，将药剂注入到玻璃细管内，将细胞转移到培养皿上，移动玻璃细管到待注射的细胞旁边，将第一通路的压力控制在100mba并保持，通过上位机给电磁阀控制器输出信号，打开第二通路，将第二通路压力控制在150mbar，进行快速给药，给药时间10微秒，同时在显微镜下观察细胞瞬时反应。
75.实施例4采用微量给药装置注射药物2
76.采用实施例1的微量给药装置，在不影响实验的基础上，尽量缩短电磁阀到玻璃细管间的气路，本实施例采用0.5米；适用于所有液体药物，具体操作如下：
77.(1)确定进气通路的气体压力：将透明的药液注入到微量给药装置中玻璃细管内。将玻璃细管固定到精密平移台上，移动平移台将玻璃细管尖端固定到载物台培养皿上部，不浸入溶液中而是悬在空中方便观察气液界面，调整显微镜，将其焦点聚到玻璃细管顶端毛细管处，观察药剂液面在毛细管中的位置，将第一通路的气压值从0mbar缓慢增加，直到药剂的液面与毛细管给药管口平齐，记录此时通道1的气压并保持，本实验为100mbar；通过上位机给电磁阀控制器输出信号，电磁阀切换到第二通路，第二通路被打开，缓慢增加第二通路的气压，直到药剂可以稳定流出，记录下此时的气压，本实验为150mbar；
78.(2)将细胞转移到培养皿上，移动玻璃细管到待注射的细胞旁边，将第一通路的压
力控制在100mba并保持，通过上位机给电磁阀控制器输出信号，打开第二通路，控制并保持第二通路压力在150mbar，药剂注射结束后，通过上位机给电磁阀控制器输出信号，关闭第二通路，结束药剂输出，第一通路保持常开可防止回流。
79.上述实施例中，第一通路保持常开，既保证了打开第二通路后加压使药物快速释放，又保证了在给药结束后培养基细胞等不被回抽。本微量给药装置通过提供管道内的正压环境，防止细胞培养液等液体回流造成药物污染；在切换到第二通路时第二通路被开通，可以稳定输出药液，确保实验一致性。采用该微量给药装置，可进行快速给药，其给药时间可缩短到10微秒，同时能够在显微镜下观察细胞瞬态反应。但是注意当玻璃细管入水后，由于水压增大，气压需要根据入水深度相应增大，以满足实验注射要求即可。
80.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。