基于ARM单片机全自动连续微球制备仪的研制

田寒梅,侯延进,王建梅,李艳,王雪莹,王建春,许敏,王立秋,2*

(1.山东省科学院能源研究所传递现象研究中心，山东 济南 250014；2.香港大学机械工程系，中国 香港 999077)

基于ARM单片机全自动连续微球制备仪的研制

田寒梅1,侯延进1,王建梅1,李艳1,王雪莹1,王建春1,许敏1,王立秋1,2*

(1.山东省科学院能源研究所传递现象研究中心，山东 济南 250014；2.香港大学机械工程系，中国 香港 999077)

微球在药物合成及释放等诸多领域应用广泛,利用传统的高剪切乳化技术如相分离法、沉淀法等制备出的微球存在尺寸分布广、结构不可控的缺点。本文研制了一款基于微流控技术的全自动连续微球制备仪，该仪器以ARM系列STM32F407型单片机作为核心控制其各个执行模块的动作，同时单片机与触摸屏PC机进行数据交换处理，实现了全自动连续制备微球的功能。测试结果表明，仪器连续工作80 h工作稳定，且制备出的微球粒径均匀、结构可控。

微流控技术；ARM单片机；全自动微球制备仪

微球相对于传统的材料具有颗粒小、比表面积大、流动性好等独特的优点，在药物传送与控制释放、活性物质封装保护、微反应以及微分离等方面具有极其广泛的应用，目前已成为生长因子、抗生素、抗癌药物的理想载体，备受关注[1-3]。相对于传统的微球制备方法，微流控液滴技术及微流控器件是近年来发展迅速的多学科交叉研究领域，利用微流控液滴技术制备的微球都具有形状相同且可控的特性，能更好地发挥作用。微流控技术为可控制备具有不同结构和功能的微球提供了一个更为优越的平台[4-5]。

微流控液滴技术一般是指将两种不相融的流体作为分散相和连续相分别通入微流控芯片，对进入微通道的流体进行精确操控，从而实现液滴的生成、输运、合并等功能，液滴生成后可原位固化形成微球[6]。现有利用微流控液滴技术制备微球的装置是利用不同规格的注射器与微流控芯片相连，通过推动注射器来驱动流体进入微流控芯片，实现液滴的生成及原位固化。现有装置的缺点是微球产量受注射器容量影响很大，注射器内的样品耗尽即微球制备停止，必须手动向注射器内添加样品才能继续制备微球，无法长期连续稳定的工作，不能实现连续自动化批量生产，制备过程中需要全程人为干预。

针对目前国内技术装置的不足，本文设计了一款全自动微球制备仪，该仪器在自动制备微球过程中无需人为干预，所有的实验参数可以通过PC机触摸屏给定和监视，并能对运行参数进行记录；同时，该仪器也可用于手动改变参数，探索不同工艺对微球性能的影响。

1 全自动微球制备仪的构成及功能

1.1 微球制备仪的构成

全自动微球制备仪主要由PC机触摸屏、主控制器、执行模块及通讯模块构成，构成原理图如图1所示。

所用主控制器为STM32F407系列ARM单片机，包括RCC时钟模块并集成了5个USART串口；该主控制器通过通讯模块分别连接PC机触摸屏及执行模块；执行模块包括注射器、步进电机、切换阀、上限位开关、下限位开关，上、下限位开关分别设置在注射器的上方和下方，切换阀设置在注射器的顶端，步进电机设置在注射器后方，用来驱动所述注射器上行或下行，执行模块的结构示意图如图2所示；通讯模块包括RS485串口、RS232串口。

1 主控制器；2 执行模块；3 通讯模块；4 PC机触摸屏图1 基于ARM单片机全自动微球制备仪的结构原理Fig.1 Principle diagram of theautomatic microspheres instrument based on ARM microcontroller

图2 执行模块结构示意图Fig.2 Structure diagram of the execution module

1.2 各构成模块的功能

主控制器通过RS232串口以MODBUS从站的方式与PC机触摸屏进行数据交换，对执行模块进行轮询，并将接收到的PC机触摸屏发出的改变参数的指令发送给步进电机控制部分，步进电机控制部分对主控制器发出的轮询指令进行响应，接收主控制器发出的参数设定，实现对步进电机的启停控制、对切换阀的开关的控制、对上限位开关及下限位开关的检测、对注射器的上行速度及下行速度的控制。

主控制器通过RS485串口以主站轮询的方式读取步进电机的启停、注射器内样品的余量、切换阀的开关、上限位开关、下限位开关的运行状态，并将读取的数据传送到PC机触摸屏。

主控制器通过无写入次数限制的RCC时钟模块中预留的带电存储器实现对注射器内样品的余量的实时记录，实现了掉电后当前运行位置不丢失的功能。

2 全自动微球制备仪的工作流程

完成开机后，将参数输入PC机触摸屏，PC机触摸屏将指令通过MODBUS协议RS232接口发送给主控制器；主控制器将接收到的PC机触摸屏传送的指令发送给步进电机控制部分，步进电机控制部分对主控制器发出的指令进行响应，接收主控制器发出的参数设定，实现对步进电机的启停控制(具体包括：步进电机控制部分中的AVR系列8位单片机MEGA16根据主控制器给定的指令，通过其内部PWM模块发送频率可变、占空比不变的脉冲给TB6560电机专用控制芯片以控制转速，通过I/O口控制所述步进电机运行方向)、对切换阀的开关的控制、对上限位开关及下限位开关的检测，对注射器的上行速度及下行速度的控制；主控制器通过RS485串口以主站轮询的方式读取步进电机、注射器、切换阀、上限位开关及下限位开关的运行状态，包括步进电机的启停、注射器内样品的余量、切换阀的开关、上限位开关及下限位开关的检测，并将所读取的数据通过MODBUS协议RS232接口传送给PC机触摸屏；当检测到上限位时，主控制器控制所述切换阀打开，按照设定好的下行速度自动抽取样品，当检测到下限位时，主控制器控制步进电机停止，控制切换阀关闭，按照设定好的上行速度进行灌注。

系统启动后，切换阀关闭，4个步进电机上行灌注，若上行过程中没有检测到上限位则保持灌注状态，若上行过程中检测到上限位，则对应切换阀打开，步进电机下行抽取；若抽取过程中没有检测到下限位则继续抽取，相应地如果检测到下限位则对应切换阀关闭，延时一定时间，4个步进电机上行灌注，循环此过程，实现微球的全自动连续制备。实现全自动连续制备微球的方法的流程如图3所示。

图3 全自动连续制备微球流程示意图Fig.3 low automatic continuous prepar microspheres

3 实验及测试结果

利用开发的全自动微球制备仪和设计好的PDMS芯片，以盐酸、石蜡油为分散相，以PVA水溶液为连续相制备PVA微球，分别测试了全自动微球制备仪的稳定性和不同实验参数下微球粒径的均一性。实验结果表明，在样品量一定的情况下，微球制备仪可以自动进行样品的抽取和灌注，工作时间长达80 h直至某一样品耗尽，实现了仪器的稳定运行；保持分散相的流速和芯片不变，改变连续相的流速做了7组实验，测量并计算了制备所得微球的粒径和变异系数(CV)(变异系数=标准差/平均值)，CV曲线如图4所示，其中CV值最大为0.032，可知，此状态下制备所得的微球粒径均一度高。

图4 制备所得微球粒径的CV曲线Fig.4 The CV curve of the microspheres

4 结论

本文研制的全自动微球制备仪采用以ARM单片机为核心的控制器将所涉及的各部件联接起来，实现其各个部分的功能，利用限位开关实现位置修正，充分保证了执行模块动作的可靠性和精度。经过实验检测，全自动微球制备仪可以自动稳定连续运行，且得到的产品质量高，有广阔的市场前景，可以实现成果转化。

[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]汪伟,谢锐,巨晓杰,等. 微流控法制备新型微颗粒功能材料研究新进展[J]. 化工学报, 2014, 65(7): 2555-2562.

[5]陈晓东,胡国庆. 微流控器件中的多相流动[J]. 力学进展, 2015, 45:55-110.

[6]赵述芳,白琳,付宇航,等. 液滴流微反应器的基础研究及其应用[J]. 化工进展, 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

山东省重点研发项目(2015GSF121048)；山东省科学院先导专项；国家自然科学基金(20165094)；山东省自然科学基金博士基金(ZR2016BB15)；2015年山东省科学院院基础基金；山东省科学院青年基金(2016QN006)；山东省自然科学三院联合基金(ZR2015YL006)

田寒梅(1989-)，女，研究实习员，研究方向为微流控专业微球制备和全自动微球装置研发工作。

*通信作者，E-mail:lqwang@hku.hk

TP273

A

1002-4026(2017)06-094-05