技术领域
[0001] 本
发明属于微纳制造技术领域，尤其涉及一种基于机械驱动产生高压的微囊制作系统。
背景技术
[0002] 细胞微囊技术是一种用
生物相容的半透膜来包裹细胞形成微胶囊，并在此
基础上对细胞进行进一步培养的技术。该生物相容的半透膜可以使
电解质、营养物质和
氧气等小分子通过来支持细胞的生命活动，一些小分子
生物质和细胞的
代谢物也可以通过半透膜被排除细胞，另外对细胞有伤害的大分子物质则不能通过半透膜。细胞微囊技术可以实现细胞的三维培养和药物的定向释放，因而在细胞移植和医学上有广泛的应用，被列为
治疗癌症、肾功能受损、帕金森症等的21世纪的关键技术之一。
[0003] 细胞微囊的制造主要过程包括获得微小液滴和液滴微囊化两个过程。在获得微小液滴的过程中，液滴从毛细管中流出时，由于粘滞
力和表面
张力的作用，会在针头处滞留积累，直至形成直径较大的液滴时才会在重力的作用下从针头脱落，进入接收装置中发生反应形成微囊。因此在未施加外力的情况下无法获得直径微米级的微囊。目前已有的微囊制作系统按工作原理可分为两类，一类是空气
流体微囊制作系统，以瑞士Nisco公司为代表，其主要原理为利用具有一定速度的气流切割液体形成微球，该类微囊制作系统的问题在于成囊直径较大(一般大于400微米)且大小均匀性差，一定程度上影响微囊的使用效果；另一类是商业电源高压静电微囊发生器，例如中国
专利CN201735389U公开了一种用于微囊成形的新装置及高压静
电场发生装置，其原理为利用商业电源产生高压，以静电力驱动液体克服表面张力和粘滞力，成囊均匀稳定，但是该类微囊发生器存在
电流大小不可控，存在容易杀死细胞以及成本高昂的问题。
[0004] 摩擦纳米发
电机是一种新型的发电装置，其基于摩擦起电和静电感应原理，把运动中的机械能转换为
电能输出。与传统的电磁、光、核等发电方式相比，摩擦纳米发电机原理简单、成本低廉，
输出电压高。目前有关摩擦发电机领域的研究工作主要集中在新结构、新材料和新应用上，而在应用过程中关键的一环便是整流、降压等电源管理技术，使摩擦发电机的输出电压和电流符合主流
电子器件的额定电压/电流范围。但是，降电压、增电流的技术舍弃了摩擦发电机直接输出出脉冲高电压的优势，将其与需要高电压低电流的设备相结合是另一值得研究的方向。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足之处，提出一种基于机械驱动产生高压的微囊制作系统，利用简单的机械输入，使摩擦发电机产生足够的高压，经过倍压整流后在针头和接收装置之间形成高压静电场，带动针头中的液体克服粘滞力和表面张力，从针头喷出极小的液滴并与接收装置中的交联剂发生反应，从而形成直径几十到几百微米的微囊。该发明不仅拓展了摩擦纳米发电机在高压领域的应用，同时使得微囊
制造过程变得安全、轻便、成本低廉且不再依赖
电网。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 本发明提出的一种机械驱动产生高压的微囊制作系统，其特征在于，包括依次连接的机械能输入装置、摩擦纳米发电机、整流/
升压电路和微囊发生装置；所述机械能输入装置驱动所述摩擦纳米发电机产生kV级电压和mA级电流，产生的电压通过所述整流/升压电路后调整为稳定的kV级电压并输入至所述微囊发生器中。
[0008] 进一步地，所述摩擦纳米发电机包括平行且共轴设置的
转子和
定子，所述转子与机械能输入装置的输出端固定，该转子上与所述定子相对的一侧固定有呈扇形分布的多个第一
摩擦片，各第一摩擦片之间彼此不
接触、保持相互独立；所述定子上通过花形沟槽将该定子分割为内外两个区间，在该两个区间内设置有多个第一
电极和第二电极，且第一、第二电极交替设置，将所有的第一电极相连作为所述摩擦纳米发电机的第一输出端，将所有的第二电极相连作为所述摩擦纳米发电机的第二输出端，所述第一电极和第二电极上均
覆盖有与所述第一摩擦片得失电子能力不同的第二摩擦片。
[0009] 进一步地，所述摩擦纳米发电机中转子的转速在0-500r/min可调，该摩擦纳米发电机输出峰峰值为0.8～1.2kV的电压。
[0010] 进一步地，所述整流/升压电路选用C-W半波倍压整流电路、C-W全波倍压整流电路或信克尔倍压整流电路，所述整流/升压电路输出3.5～4.5kV的直流电压。
[0011] 进一步地，所述微囊发生装置包括容纳有微囊发生溶液的
注射器、容纳有交联剂的收集池以及安装平台；所述安装平台包括在
底板上固设的微调移动平台和L型
支架，该L型支架的
水平段顶部设有
夹板，所述微调移动平台上设有通过
导线与整流/升压电路的负极输出端相连的负电极板，所述收集池放置在该负电极板上，所述注射器末端的金属针头通过所述夹板夹持并穿过所述L型支架的水平段后位于所述收集池正上方，所述金属针头通过导线与所述整流/升压电路的正极输出端相连，通过所述整流/升压电路输出获得的直流电压在所述金属针头和负电极板之间形成高压静电场。
[0012] 进一步地，所述注射器内的微囊发生溶液采用
质量浓度为1％～6％的海藻酸钠溶液和摩尔浓度为100mmol/L～400mmol/L的Ca2+溶液。
[0013] 进一步地，控制所述注射器的推进速度为5ml/h～20ml/h。
[0014] 进一步地，所述金属针头采用23-30G的点胶针头。
[0015] 本发明的特点及有益效果：
[0016] 本发明提出了一种新的生物微囊制作系统，将摩擦纳米发电机和生物微囊制造结合起来，通过机械运动摩擦产生高压静电场，使针头喷射出的液滴直径大幅下降。通过摩擦起电效应产生电压，经过整流升压之后在针头和接收装置之间形成高压静电场，从而带动液滴克服粘滞力和表面张力，以微米级的直径从针头喷出。摩擦纳米发电机产生高电压的同时电路中的电流很小，对操作者非常安全，且对生物细胞也不构成威胁，通过对针管流速、电场电压、针头直径、液体性质等不同情况下的微囊制造过程进行实验和观测，为生物微囊提供了一种安全、可控、简洁、低成本的制造平台。
附图说明
[0017] 图1为本发明的一种基于机械驱动产生高压的微囊制作系统的结构示意图。
[0018] 图2为本发明中不同类型的摩擦发电机工作示意图，其中ai)～aiii)为接触分离式，bi)、bii)为滑移式。
[0019] 图3为本发明
实施例的一种机械驱动差生高压的微囊制作系统的结构示意图，其中未示意出机械能输入装置。
[0020] 图4为本发明实施例中摩擦发电机转子的结构示意图。
[0021] 图5为本发明实施例中摩擦发电机定子的结构示意图。
[0022] 图6的(a)～(c)为本发明中整流升压电路的三种实现方式。
[0023] 图7为本发明实施例中安装平台的结构示意图。
[0024] 图8为本发明实施例的一种摩擦发电机的输出特性曲线图，(a)、(c)分别对应输出电压和电流，(b)、(d)为(a)、(c)的局部放大图。
[0025] 图9为本发明实施例的微囊制作系统所制作的带有细胞的微囊显微图。
[0026] 图10中(a)～(f)分别为本实施例的微囊制作系统所获得的微囊参数与工艺参数的关系图。
具体实施方式
[0027] 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，都属于本发明保护的范围。
[0028] 本发明提出的一种机械驱动产生高压的微囊制作系统，其整体
框图如图1所示，包括依次连接的机械能输入装置100、摩擦纳米发电机200、整流/升压(“/”理解为和、或)电路300和微囊发生装置400；机械能输入装置100产生机械能驱动摩擦纳米发电机200产生kV级电压和mA级电流，产生的电压通过整流/升压电路300后调整为稳定的kV级电压并输入至微囊发生器400中。
[0029] 本发明中各部件的具体实现方式及功能分别描述如下：
[0030] 所述机械能输入装置100的
能量来源包括机械能、
风能、
热能、
潮汐能、电能等低频
能源。本实施例采用直流永磁电机驱动，其型号为XD ZYT-22。
[0031] 所述摩擦纳米发电机200包括转子和定子，在转子和定子相对的面上分别设有得失电子能力不同的
摩擦材料，且仅在定子、或同时在转子和定子上设置与相应摩擦材料产生静电感应的电极。参见图2，根据转子和定子间的相对运动方式，可将摩擦纳米发电机分为接触分离式(如图2中ai)～aiii)所示)或滑移式(如图2中bi)、bii)所示)；根据电极的连接方式，可将摩擦纳米发电机分为电极相连式(如图2中ai)、bi)所示)、独立摩擦层式(如图2中aii)、bii)所示)和单电极式(如图2中aiii)所示)；图2中，较厚的材料代表电极、较薄的材料代表摩擦材料，箭头代表运动部件及运动方向。本实施例采用独立摩擦层式摩擦纳米发电机，因为该摩擦纳米发电机的输出电压较其他类型发电机更高，更适合本发明的特点。
参见图3～5，摩擦纳米发电机包括平行且共轴设置的转子201和定子202，转子201与机械能输入装置100的输出端固定，转子201上与定子202相对的一侧固定有呈扇形分布的多个第一摩擦片2011，各第一摩擦片之间彼此不接触、保持相互独立，本实施例中，各第一摩擦片为曲面薄片、呈蝶形，各薄片的一端与转子201固定连接、另一端为自由端；定子202上通过花形沟槽2021将定子202分割为内外两个区间，通
过喷涂或粘贴方式分别在所述两个区间内设置有多个第一电极2022和多个第二电极2023，且第一、第二电极交替设置，将所有的第一电极2022相连(
串联或并联)作为摩擦纳米发电机的第一输出端，将所有的第二电极2023相连(串联或并联)作为摩擦纳米发电机的第二输出端，第一电极2022和第二电极2023上均覆盖有与第一摩擦片2011得失电子能力不同的第二摩擦片2024。转子201由机械能输入装置100驱动，转速在0-500r/min可调。在转子201转动过程中，第一摩擦片2011与第一、第二电极所对应的第二摩擦片2024交替接触，产生交变电流。
[0032] 转子201和定子202均采用绝缘材料制成，如塑料，本实施例中采用聚甲基
丙烯酸甲酯(PMMA)，转子201为尺寸 的圆盘，通过
激光切割在转子201上产生宽度1mm的缝隙，以用于第一摩擦片2011的固定；定子202为尺寸300×300×8mm3的方盘，按照电极的预设边界，通过数铣加工在定子202上产生3mm深、5mm宽的花形沟槽2021。第一摩擦片
2011、第二摩擦片2024分别采用聚氯乙烯(PVC)、尼龙制成，第一电极2021、第二电极2023可采用
铜电极等导电材料制成，厚度均为0.05mm。将相邻设置的一个第一电极和第二电极作为一个极对，可以根据发电机输出特性要求选用不同极对数的摩擦纳米发电机200发电机，本实施例设有6个极对，摩擦纳米发电机可以输出峰峰值为0.8～1.2kV的高电压。
[0033] 整流/升压电路300可选用Coccroft-Walton(C-W)半波倍压整流电路，信克尔(Scheakel)倍压整流电路，C-W全波倍压整流电路等。参见图6，其中(a)为4倍压C-W半波倍压整流电路，(b)为信克尔(Scheakel)倍压整流电路，(c)为8倍压对称C-W倍压整流电路。所用8倍压对称C-W倍压整流电路由单个电源驱动，包括两个极性相反的C-W半波倍压整流电路。电路中所用的
二极管的反向
耐受电压为20kV，电容值包括0.47nF，1nF，4.7nF，10nF，22nF，其中0.47～10nF电容的耐受电压为10kV，22nF电容的耐受电压为6kV。通过整流/升压电路300将纳米电发电机产生的电压调整为3.5～4.5kV的直流电压。本实施例中，整流/升压电路300采用4倍压C-W半波倍压整流电路，摩擦纳米发电机经过该整流/升压电路后的输出特性曲线如图8的(a)～(d)所示，其中，(a)、(b)为摩擦发电机在350r/min转速下的开路电压输出图，(c)、(d)为
短路电流输出图，其峰值分别为4.06kV和73μA。
[0034] 参见图3，微囊发生装置包括容纳有微囊发生溶液的注射器401、容纳有交联剂407的收集池402和安装平台403(该安装平台在图3中未示意出，具体请参见图7)；参见图7，安装平台403包括在底板4031上固设的微调移动平台4032和L型支架4033，L型支架4033的水平段高于微调移动平台4032顶部，L型支架4033的水平段顶部设有夹板4031，微调移动平台4032上设有通过导线404(该导线在图7中未示意出，具体参见图3，导线406与此相同)与整流/升压电路300的负极输出端相连的负电极板405，收集池402放置在该负电极板405上，注射器401末端的金属针头4011通过夹板4031夹持并穿过L型支架4033的水平段后位于收集池402正上方，通过微调移动平台4032控制金属针头4011的尖端与负电极板405之间的距离为0～5mm可调，金属针头4011通过导线406与整流/升压电路300的正极输出端相连，通过整流/升压电路300输出获得的直流高电压在金属针头4011和负电极板405之间形成高压静电场。
[0035] 进一步地，注射器401内的微囊发生溶液采用质量浓度为1％～6％的海藻酸钠溶液和摩尔浓度为100mmol/L～400mmol/L的Ca2+溶液，以保证微囊的形状完整和大小均匀。除海藻酸钠和Ca2+溶液的组合之外，其他可发生交联反应的
试剂均可作为本发明中的微囊发生溶液。
[0036] 进一步地，将注射器401安装在注射
泵(如采用保定兰格LSP02-1B的精密
注射泵)上，控制注射器的推进速度为5ml/h～20ml/h，以此获得大小的不同的微囊，且随着推进速度的提高，微囊直径线性减小。
[0037] 进一步地，金属针头4011采用23-30G的点胶针头，且金属针头与注射器的
导管采用密封连接，随着针头内径减小，所生成的微囊直径线性减小。本实施例采用的金属针头采用27G平头点胶针头。
[0038] 图9为本发明实施例制作的含有HePa RG细胞的微囊显微图，图中大球即为本实施例制得的微囊，在大球中密集分布的小球为HePa RG细胞。
[0039] 图10为本实施例的基于机械驱动产生高压的微囊制作系统所获得的微囊参数(图中的圆点代表微囊直径，方
块代表微囊的完好率)与相关参数的关系图。即可通过提高机械能输入的转速(参见图10中(a))，提高金属针头3和负电极板7之间的距离(参见图10中(b))，降低微囊发生液的浓度(参见图10中(c)、(d))，减小金属针头3的内径(参见图10中(e))，减小注射器的推进速度(参见图10中(f))等方式来减小所获得的微囊的直径。
[0040] 本实施例的工作原理叙述如下：
[0041] 通过机械能输入装置100驱动摩擦发电机转子201旋转，摩擦片2011和摩擦片2023之间由于摩擦起电作用分别带等量相反电荷，同时电极2021和电极2022由于与摩擦片的静电感应也分别带有电荷。由于摩擦发电机旋转导致电极202110和电极2022所对应的摩擦片反生交替变化，于是电极2021和电极2022内部所产生的感应电荷量也发生交替变化，同时从电路中输入交变电流。摩擦发电机直接输出的交变电流进入整流升压电路300，输出端获得直流高电压，经导线分别传导到金属针头4011和负电极板405，在二者之间形成高压静电场。
[0042] 与此同时，推动注射器401中的微囊发生液经过注射器的导管从金属针头4011中流出，溶液在金属针头4011末端在上述高压静电场所产生的静电力的作用下克服表面张力和粘滞力，
破碎成微小的液滴从金属针头4011末端喷出，落入收集池402中所盛的交联剂中，并与交联剂发生交联反应，形成微囊。通过改变金属针头4011的内径，注射器401的推进速度，金属针头4011和负电极板405之间的距离，微囊发生液的种类和浓度，交联剂的浓度，摩擦发电机200的转速、尺寸和材料等参数可以获得不同大小形状的微囊。
