吸夹一体式微夹持器的制作方法

1.本发明涉及微操作技术领域，尤其涉及一种吸夹一体式微夹持器。


背景技术：

2.生物科学的快速发展使得对在微纳米尺度上操纵实体的需求日益增加。一般来说，操纵生物物体，如单细胞，胚胎等，可以分为接触式和非接触式。非接触式技术主要基于光学，但这种技术需要复杂而昂贵的光学设置，并且暴露于光学辐射可能对操纵的微物体产生长期的负面影响。夹持器和微量移液器是操纵微生物体常用的接触技术，但夹持器相比微量移液器而言对操作熟练度要求更低、更容易控制、操作更稳定、对操作对象的应力更平均、具有更好的多功能性，微夹持器是微夹持系统与被夹持对象之间的接口，其性能的优劣将很大程度影响到微电子机械系统(mems)的实际工作效率。但是现有微夹持器在液体中难以操作和控制，且会损坏生物环境，对生物产生干扰影响。另外，随着微夹持器对象尺度的逐渐减小，微观粘着力中的尺度效应变得更加显著，在微观条件下，物体的表面积比不断增加，粘着力逐渐代替重力等惯性力成为主要作用力，粘着力的存在给微小对象的操作带来了极大的困难。


技术实现要素：

3.针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种吸夹一体式微夹持器。
4.为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
5.一种吸夹一体式微夹持器，包括：
6.进气座，所述进气座内设置有第一通气孔和第二通气孔；
7.夹持组件，所述夹持组件包括一端设置于所述进气座上的气囊、一体成型于所述气囊的另一端的第一夹持臂，所述气囊与所述第一通气孔相连通，所述第一夹持臂具有第一夹持面；
8.吸附组件，所述吸附组件包括一端设置于所述进气座上的支撑体、一体成型于所述支撑体的另一端的第二夹持臂，所述第二夹持臂具有第二夹持面，所述第二夹持面与所述第一夹持面相对设置，所述支撑体与所述第二夹持臂内设置有贯穿所述第二夹持面的气道，所述气道与所述第二通气孔相连通。
9.作为本发明的进一步改进，所述气囊与所述支撑体之间设置有加强体，所述加强体设置于所述进气座上，所述加强体与所述气囊相连通，所述加强体与所述支撑体相连接。
10.作为本发明的进一步改进，所述第一夹持臂朝向所述第二夹持臂倾斜设置。
11.作为本发明的进一步改进，所述第一夹持面与所述第二夹持面分别位于所述加强体的中心线的两侧，所述气道远离所述进气座的一端朝向所述第一夹持臂倾斜设置。
12.作为本发明的进一步改进，所述第一夹持臂包括第一直部和第一倾斜部，所述第一直部成型于所述气囊，所述第一倾斜部朝向所述第二夹持臂倾斜设置，所述第一倾斜部的倾斜角度为10-30
°
。
13.作为本发明的进一步改进，所述气道垂直于所述进气座，所述第一夹持面和所述第二夹持面均位于所述加强体的中心线的同一侧。
14.作为本发明的进一步改进，所述第一夹持臂包括第二直部和第二倾斜部，所述第二直部成型于所述气囊，所述第二倾斜部朝向所述第二夹持臂倾斜设置，所述第二倾斜部的倾斜角度为36-56
°
。
15.作为本发明的进一步改进，所述加强体与所述气囊之间连通有第一通气部，所述加强体与所述支撑体之间连接有第二通气部，所述第二通气部与所述加强体相连通，所述第一通气部、第二通气部均延伸至所述进气座。
16.作为本发明的进一步改进，所述气囊的壁厚越小，所述气囊的两相对内侧壁之间的间距、所述加强体与所述气囊之间的间距、所述加强体与所述支撑体之间的间距均越大。
17.作为本发明的进一步改进，所述第一夹持面呈凹陷状，所述第一夹持面设置有漏液通道，所述第二夹持面上设置有凹部。
18.本发明的有益效果是：
19.(1)本发明将夹持和吸附功能集合于一体，克服了夹持细胞过程中可能出现的细胞在液体中滑移的可能性，提高夹持的稳定性，能够实现对生物微结构的精细操作，同时能够在释放细胞过程中使得气道内为正压，通过气流吹动细胞将细胞脱离夹持臂避免粘着力的影响，提高操作的便捷性。
20.(2)第一夹持臂与气囊一体成型、支撑体与第二夹持臂一体成型，提高各部件之间连接的稳固性，打印良品率高，且减少第一夹持臂末端与第二夹持臂末端之间的对准偏差，使得第一夹持臂末端与第二夹持臂末端对准好，夹持稳定性好。
21.(3)结构非常紧凑，便于在狭小空间操作。
22.(4)本发明的结构布局能够很好地利用高精度的微纳3d打印技术进行打印，整体尺寸在毫米左右，实现微型化，夹持对象在微米左右，张合量分辨率能达到亚微米，夹持精度高，便于对微小对象的精细操作。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明的优选实施例一的结构示意图；
25.图2为本发明的优选实施例一的主视图；
26.图3为本发明的优选实施例一的右视图；
27.图4为本发明的优选实施例一的竖向剖视图；
28.图5为本发明的优选实施例一的横向剖视图；
29.图6为本发明的优选实施例一的第一夹持臂的第一夹持面处的结构示意图；
30.图7为本发明的优选实施例一的第二夹持臂的第二夹持面处的结构示意图；
31.图8为本发明的优选实施例一的第一夹持臂张开的结构示意图；
32.图9为本发明的优选实施例一的第一夹持臂的总变形仿真图；
33.图10为本发明的优选实施例一的第一夹持臂沿着x轴的变形仿真图；
34.图11为本发明的优选实施例一的等效弹性应变仿真图；
35.图12为本发明的优选实施例一的等效应力仿真图；
36.图13为本发明的优选实施例二的结构示意图；
37.图14为本发明的优选实施例二的主视图；
38.图15为本发明的优选实施例二的右视图；
39.图16为本发明的优选实施例二的竖向剖视图；
40.图17为本发明的优选实施例二的横向剖视图；
41.图18为本发明的优选实施例一的第一夹持臂的第一夹持面处的结构示意图；
42.图19为本发明的优选实施例一的第二夹持臂的第二夹持面处的结构示意图；
43.图20为本发明的优选实施例二的第一夹持臂张开的结构示意图；
44.图21为本发明的优选实施例二的第一夹持臂的总变形仿真图；
45.图22为本发明的优选实施例二的第一夹持臂沿着x轴的变形仿真图；
46.图23为本发明的优选实施例二的等效弹性应变仿真图；
47.图24为本发明的优选实施例二的等效应力仿真图。
具体实施方式
48.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
49.实施例一
50.请参阅图1-图7，本技术实施例公开了一种吸夹一体式微夹持器，包括：进气座1，进气座1内设置有第一通气孔11和第二通气孔12；夹持组件2，夹持组件2包括一端设置于进气座1上的气囊21、一体成型于气囊21的另一端的第一夹持臂22，气囊21与第一通气孔11相连通，第一夹持臂22具有第一夹持面221；吸附组件3，吸附组件3包括一端设置于进气座1上的支撑体31、一体成型于支撑体31的另一端的第二夹持臂32，第二夹持臂32具有第二夹持面321，第二夹持面321与第一夹持面221相对设置，支撑体31与第二夹持臂32内设置有贯穿第二夹持面321的气道33，气道33与第二通气孔12相连通。
51.优选气囊21与支撑体31之间设置有加强体4，加强体4设置于进气座1上，加强体4与气囊21相连通，加强体4与支撑体31相连接。气流能够在加强体4与气囊21之间流动，当气囊21和加强体3膨胀变形时，由于加强体3是与支撑体31连接在一起的，这样，通过支撑体31进行支撑，提高气囊21和加强体4变形的稳定性，从而提高第一夹持臂22运动的稳定性。
52.优选加强体4与气囊21之间连通有第一通气部5，加强体4与支撑体31之间连接有第二通气部6，第二通气部6与加强体4相连通，第一通气部5、第二通气部6均延伸至进气座1。气流能够在气囊21、第一通气部5、加强体4以及第二通气部6之间流动。
53.优选第一夹持臂22朝向第二夹持臂32倾斜设置，通过使第一夹持臂22倾斜来改变第一夹持臂22与第二夹持臂32之间的间距，减小对第二夹持臂32的结构要求，提高第二夹
持臂32内气道33通气的顺畅性，且第一夹持臂22与第二夹持臂32之间对准好，夹持稳定性好。
54.第一夹持面221与第二夹持面321分别位于加强体4的中心线的两侧，提高第一夹持臂22与第二夹持臂32之间的对准性，气道33远离进气座1的一端朝向第一夹持臂22倾斜设置，同时气道33倾斜靠近加强体4的中心线，能够使得夹持对准时第一夹持臂22所需的倾斜角度小，进而使得第一夹持臂22的稳定性更好，第一夹持臂22与第二夹持臂32之间对准更好。
55.第一夹持臂22包括第一直部222和第一倾斜部223，减小第一夹持臂22的体积，第一直部222成型于气囊21，第一倾斜部223朝向第二夹持臂32倾斜设置，第一倾斜部223的倾斜角度a为10-30
°
，使得第一倾斜部223的倾斜角度适中，在确保第一倾斜部223稳定性的同时确保第一倾斜部223与第二夹持臂32之间的对准，确保夹持的稳定性。
56.请参阅图6、图7，第一夹持面221呈凹陷状，第一夹持面221设置有第一漏液通道2211，第二夹持面321上设置有第一凹部3211。第一漏液通道2211的设置便于在夹持时液体从该第一漏液通道2211处通过，避免液体的集聚，避免夹持细胞过程中可能出现的细胞在液体中滑移的可能性，且夹持时呈凹陷状的第一夹持面221与第一凹部3211相互配合形成一个容纳孔，便于细胞容纳在该容纳孔内，进一步提高细胞夹持的稳定性和成功率。
57.为了避免打印时的粘连，确保打印的良品率，优选气囊21的壁厚越小，气囊21的两相对内侧壁之间的间距、加强体4与气囊21之间的间距、加强体4与支撑体31之间的间距均越大。
58.优选气囊21的壁厚为15-25μm，气囊21的两相对内侧壁之间的间距为65-110μm，加强体4与气囊21之间的间距、加强体4与支撑体31之间的间距均为65-90μm，能够避免气囊21的破裂，确保气囊21能够打印成型，提高良品率，同时能够保证气囊21变形大使得驱动行程大。
59.气囊21具有第一侧部211、与第一侧部211相对的第二侧部212，第一侧部211的壁厚d1小于第二侧部212的壁厚d2，第一侧部211的壁厚d1为15-25μm，第一侧部211的内侧壁与第二侧部212的内侧壁之间的间距d3为65-110μm，加强体4与第一侧部211之间的间距d4、加强体4与支撑体31之间的间距d5均为65-90μm。为确保气囊21的稳定变形同时变形大，优选第一侧部211的壁厚d1为20μm，为更好地避免加强体4与气囊21之间、加强体4与支撑体31之间的粘连，同时能够确保结构的紧凑性，第一侧部211的内侧壁与第二侧部212的内侧壁之间的间距d3为100μm，加强体4与第一侧部211之间的间距d4、加强体4与支撑体31之间的间距d5均为90μm。优选第二侧部212的壁厚d2为20-270μm。进一步优选第二侧部212的壁厚d2为70μm，使得第一夹持臂22末端闭合时对准好，提高夹持力，同时能够确保第一夹持臂22的张合量，减小微夹持器的体积，降低材料消耗量，降低成本。优选加强体4的壁厚d6为20μm，加强体4的两相对侧壁之间的间距d7为100μm。支撑体31具有第三侧部311、与第三侧部311相对的第四侧部312，第三侧部311的壁厚d8为30μm，第四侧部312的壁厚d9为70μm，气道33的孔径d10为100μm。
60.优选气囊21的横截面呈矩形，提高气囊21的变形量，从而增大气囊21的驱动行程，提高第一夹持臂22的张合量。
61.请参阅图4，第一通气孔11包括依次相连通的第一通气口111、第一缩径孔112和第
一安装孔113，第一通气口111连通于气囊21，第二通气孔12包括依次相连通的第二通气口121、第二缩径孔122和第二安装孔123，第二通气口121连通于气道33。第一安装孔113、第二安装孔123分别用于两个气管的插入装配，两个气管与外界充放气源连接，第一缩径孔112、第二缩径孔122的设置能够使得分别插入第一安装孔113、第二安装孔123的两个气管预紧，两个气管分别将第一安装孔113与第一缩径孔112、第二安装孔123与第二缩径孔122连接处密封住，避免使用胶水以固定气管时胶水流入第一通气口111、第二通气口121而将第一通气口111、第二通气口121堵塞，确保通气的顺畅性。具体地，第一通气口111对着且连通第一通气部5和气囊21，第二通气口121对着且连通气道33。
62.本实施例的微夹持器采用亚像素扫描技术(sms)和光固化引发原理的微纳米级3d打印机打印而成。优选采用普利生(prismlab)的mp系列的微纳米级3d打印机，型号可以为mp-36-3l或mp-200-17dl。该mp-36-3l和mp-200-17dl型号的3d打印机的参数如表1所示。优选采用mp-36-3l型号，打印精度为3.2μm，打印分辨率为1.6μm，提高打印质量和良品率。
63.表1微纳米级3d打印机参数
[0064][0065]
为了该微夹持器能运用于生物操作，且能够提供足够的变形驱动第一夹持臂22张开而气囊21不破裂，需要对成型材料进行选择。材料需要具备生物相容性，且具有较低的弹性模量，优选材料如表2所示。
[0066]
表2所选材料参数
[0067][0068]
本实施例的微夹持器的长度l1为1.8mm，宽度w1为1.8mm，高度h1为3.24mm，高度h2为4.54mm。
[0069]
使用时，当在自然状态下，第一夹持面221与第二夹持面321之间的距离大于或等于被夹持物体的大小时，通过在气囊21和气道33内都产生负压实现对被夹持物体的稳定吸附夹持；如果在自然状态下，第一夹持面221与第二夹持面321之间的距离小于被夹持物体的大小时，则是通过在气囊21内产生正压、在气道33内产生负压来实现对被夹持物体的稳定吸附夹持。气囊21和气道33内的气压控制可以分别设置注射器与对应的气管相连通，通过对应的注射器的活塞的推拉来改变气囊2和气道33内的气压，对第一夹持臂22的张合量
控制精度能够达到1μm，但并不局限于此种方式，其他能够改变气囊2和气道33内气压的控制结构均可以。
[0070]
该微夹持器的气囊21充气膨胀使得第一夹持臂22张开的状态图如图8所示。以下对本实施例的微夹持器进行仿真，仿真结果均是基于一个大气压的压强驱动下得到的结果，仿真图如图9-图12所示。在实际应用中驱动压强大于一个大气压时，张合量也会随之提高。
[0071]
图9反映出第一夹持臂22的总变形量，最大变形量为158.15μm。图10反映出沿着x轴的最大变形量为131.04μm。图11反映出等效弹性应变最大为0.043，在满足张合量足够大的情况下，即图9和图10的最大值足够大的情况下，气囊21不会破裂。图12反映出等效应力最大为100.75mpa，气囊21不会破裂。
[0072]
实施例二
[0073]
请参阅图13-图19，本实施例与实施例一的区别在于：
[0074]
气道33垂直于进气座1，气道33为直气道，第一夹持面221和第二夹持面321均位于加强体4的中心线的同一侧。在亚像素扫描光固化微纳3d打印技术中，狭窄气道结构在坚直方向上角度过大会由于曝光时的散射效应引起气道阻塞，因此采用竖直向上的直气道结构，使得气道33不易堵塞，提高成品率，同时配合设置第一夹持面221与第二夹持面321均处于加强体4中心线的同一侧，减小第一夹持面221与第二夹持面321之间的配合间距，确保夹持稳定。第一夹持臂22包括第二直部226和第二倾斜部227，减小第一夹持臂22的体积，第二直部226成型于气囊21，第二倾斜部227朝向第二夹持臂32倾斜设置，第二倾斜部227的倾斜角度b为36-56
°
，使得第二倾斜部227的倾斜角度适中，便于第二倾斜部227与第二夹持臂32对被操作对象的夹持。
[0075]
优选地，第一夹持面221设置有第二漏液通道2212，第二夹持面321上设置有第二凹腔3212。第二漏液通道2212的设置便于在夹持时液体从该第二漏液通道2212处通过，避免液体的集聚，进一步避免夹持细胞过程中可能出现的细胞在液体中滑移的可能性，且夹持时细胞能够存储在第二凹腔3212内，避免细胞的滑落，进一步提高细胞夹持的稳定性和成功率。
[0076]
本实施例的微夹持器的长度l2为1.8mm，宽度w2为1.8mm，高度h3为3.25mm，高度h4为4.55mm。
[0077]
该微夹持器的气囊21膨胀使得第一夹持臂22张开的状态图如图20所示。以下对本实施例的微夹持器进行仿真，仿真结果均是基于一个大气压的压强驱动下得到的结果，仿真图如图21-图24所示。在实际应用中驱动压强大于一个大气压时，张合量也会随之提高。
[0078]
图21反映出第一夹持臂22的张合量，最大变形量为156.15μm。图22反映出沿着x轴的最大变形量为72.25μm。图23反映出等效弹性应变最大为0.041，在满足张合量足够大的情况下，即图21和图22的最大值足够大的情况下，气囊21不会破裂。图24反映出等效应力最大为98.99mpa，气囊21不会破裂。
[0079]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有
变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0080]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。