阅读说明：本技术 提高微流体泵或阀的定量精度的方法以及用于实施所述方法的焊接装置和张紧装置 (Method for increasing the dosing accuracy of a microfluidic pump or valve, and welding device and tensioning device for carrying out said method ) 是由 尼克拉斯·弗里希 亚历山大·克雷默斯 卡尔海因茨·希尔登布兰德 克里斯托夫·皮特里 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于柔性覆盖薄膜/隔膜和阀槽提高微流体泵和阀的定量精度的方法,其中借助激光束对所述隔膜的朝向所述阀槽的表面进行加热。(The invention relates to a method for increasing the dosing accuracy of microfluidic pumps and valves on the basis of a flexible cover film/diaphragm and a valve housing, wherein the surface of the diaphragm facing the valve housing is heated by means of a laser beam.)

提高微流体泵或阀的定量精度的方法以及用于实施所述方法 的焊接装置和张紧装置

在过去的三十年中，通过转基因微生物技术生产有效物质、维生素、肽或蛋白质已获得了巨大的经济效益。在这些物质的工业生产中，可以在可容纳多个立方米体积的生物反应器中培养生产的细胞系统。通过调节pH值、营养物质的浓度、溶液中的氧含量以及其他一些与细胞的生长和代谢有关的参数，可以确保细胞能够最佳地生产。

一般而言，对微生物培养或细胞培养中的生命参数的调节要求实时或至少立即借助合适的测量方法来测量这些参数。在此情况下，生命参数与额定值的偏差要求相应的干预。这可以完全自动地进行或者由操作员手动完成。在这两种情况下，均试图通过定量添加适用的试剂而将相应的生命参数调节至其额定值。因此，通常通过定量添加适用的碱来校正在细胞培养过程中下降的pH值；相应地通过添加酸来校正增大的pH值。微生物或细胞的能量供应通常是通过控制添加适用的碳源(通常是葡萄糖溶液)来实现的。在此情况下，通常至关重要的是添加精确量的必要试剂。试剂的过量或不足可能会损害生物技术生产的物质的产品质量，使生产完全停止或者至少损害时空产率。

在技术规模上-即当在几百或甚至几千升的培养液中培养细胞时-除了通常必须完全无菌地进行添加之外，定量添加用于调节培养条件的试剂不会产生特别的问题：所需的试剂量在几毫升至几升的范围内，因此有许多技术能够高精度地对这些试剂进行测量和定量添加。

然而，在产品开发期间，上述首次建立用于生物技术生产的培养条件的方式通常需要其他技术，在这个产品开发过程中必须首先测定在生产过程中用到的生命参数。在优化过程中，首先筛查通过随机诱变或针对性的遗传操作而产生的潜在适用生物。选择最有希望的生物，然后在下一步中改变培养条件，首先是粗略地进行改变，然后是越来越细微地进行改变。对每个人来说显而易见的是，以数千、数百或甚至仅几升的规模进行这种优化是没有意义的。每个单个的优化实验的成本基本上与其规模成正比。实验室中的试剂、设备和空间需求的成本与培养体积密切相关。操作员必须用于个别培养的工作时间在很大程度上还取决于其体积。

因此，不足为奇的是，优化细胞或微生物培养和生物技术生产的科学家通常需要数百或数千次不同的实验并且力求以尽可能最小的规模(即以尽可能小的体积)尽可能并行地进行实验。

因此，在生物技术中越来越多地使用并行化的微生物反应器。通常以微量滴定板的形式布置反应堆容器，从而产生一系列小体积或最小体积的反应器。因此，可以仅在一个微量滴定板中同时进行6、24、48、96、384或甚至1536个培养物，通常采用128x 85mm的标准格式。在此微体积中优化的反应条件通常可以以相对较小的适应性转换为宏观形式。通过改变微量滴定板上的反应器的数量，工作体积相应地会发生很大变化：虽然已经说过微反应器的规模小于10ml，但在借助多个操纵变量优化培养条件时，将体积进一步减小至1mL以下、500μL以下、100μL以下或甚至10μL以下就能通过实验可能的并行化节省大量时间和成本。在此情况下，定量添加用于将培养条件保持在额定范围内的试剂(通常称为调节剂)通常是一个很大的挑战。在体积小于1mL的反应器中，大多必须以μL甚至nL的体积缓慢地定量添加这些调节剂，而与较大的反应器中的条件相比，对实验的精确性和可重复性的要求却没有明显降低。

因此，许多制造商在开发用于以平均的规模添加调节剂的技术时喜欢采用可靠的技术，例如注射泵或软管泵。这些技术至少在μL规模上(甚至在nL规模上以一定的限制)允许实现稳定且可重现的输送速度。然而，将这些泵用于微生物工艺技术中的缺点在于，通常只有在使用前对软管和注射器进行彻底清洁和消毒或者将其用作相应制备的一次性用品的情况下，才能确保无菌条件。在此情况下，仅建立一个实验就需要大量的成本和时间耗费，特别是在并行度包括一打或两打以上同时进行的培养时。其他微生物反应器制造商使用高精度定量阀(Applikon)将液体输入反应室。在此，这些液体也会与阀门的部分接触，因此在使用前必须对其进行清洁和消毒。此外，这种定量必须通过微量滴定板的顶盖而进行，因此可能会破坏无菌屏障。因此，通过微滴定板的底部进行添加的成本较低且易于操作的一次性系统对微生物反应器的用户来说是非常有利的。

欧洲专利案EP3055065中描述了一种在微生物反应器中以高度平行的方式输送调节剂的有趣方法：借助由直径约100μm的通道以及集成至这些通道中的泵和阀构成的微流体，可以通过微量滴定板的底部将调节剂从集成在微量滴定板上的贮存器泵入微反应器中。使用微流体阀和泵有望将多个单个的微生物反应器良好地集成至微生物反应器系统中，从而可以在相对较小的安装空间内进行多个并行试验。通过多个阀、泵和通道可以同时控制不超过32个反应室，每个反应室具有两个给料路径，进而可以高通量地进行处理。这项技术还可实现多达约2000个或更多的反应室。

集成至芯片中的泵和阀的功能基于以下事实：与这些通道连接的大部分圆形槽都被柔性薄膜或隔膜封闭。借助气压可以将薄膜压入槽中，这使得通道被中断并且液体被从槽中压出。具体视这些槽/阀相对彼此的布置以及将薄膜压入这些槽/阀的顺序和用时而定，可以以原则上定义的流率沿规定的方向泵送液体。

目前在生命科学领域中经常使用这类微流体阀和泵(隔膜泵)，因为可以借助压缩空气以简单且成本相对较低的方式来操纵这些微流体阀和泵。如果在两个阀之间切换泵室，则可以通过特定的切换顺序来实现液体的蠕动，从而实现液体的准连续运动，而液体的物理特性不会对泵功率产生重大影响。只有在较低的流率下，泵的输送才会明显不连续，因为泵室的容积是单位时间内可以运动的最小离散液体体积。这项技术的挑战在于用柔性隔膜来覆盖阀槽。在此使用了不同的方法，原则上可以分为间接(用胶粘剂进行连接或张紧)和直接的连接技术(粘合、溶剂介导的接合、热焊接或超声波焊接)(Tsao et al.2008)。

最常见的覆盖阀槽的方式是通过提高温度或超声波和压力将隔膜与基体热熔合或热焊接在一起。这个方式不需要任何可能泄漏并且对细胞有害的其他添加剂。在张紧之前，其优点在于无需机械的辅助件。在热焊接时，使衬底接近其玻璃化转变温度并借助压缩模将这些衬底压合在一起。压力和温度的相互作用产生足够的聚合物流，以便在各个层的聚合物链之间建立相互扩散，从而产生类似于基础材料的内聚连接强度的牢固连接。然而，热熔合过程中的主要挑战在于减少结构变形：为了用柔性隔膜精确地覆盖阀或泵室，这些阀必须具有与隔膜接合的定义边缘。这样一来，这些阀或泵室必须相对较深，以便避免因薄膜的加热和压紧而引起的明显的结构变形。因此，为了实现较小的输送体积，在设计这些阀的几何形状时通常采用深度相对较大且死体积较大的较小的横截面面积，这使得阀的密封更加困难。与此相反，为了实现较低的泄漏率和较小的死体积，有利地实现阀的宽度与深度的较大比例：阀越宽，所需的气动压力就越小，这个气动压力用于在操作过程中将覆盖薄膜压入这个阀并且以此种方式对这个阀进行密封或填充或者(在采用泵的情况下)输送整个容积。令人遗憾的是，与将覆盖薄膜热焊接到上述其他深槽上相比，将覆盖薄膜热焊接到这些宽且扁平的阀槽上要困难得多。隔膜薄膜基于其柔韧性和自身的重量可以放置到阀中并且也可以粘在这些阀上。这会导致这些阀和泵室的不均匀的覆盖。结果是泵阀的泵室容积变化较大。这对从泵到泵的泵送过程的可重复性具有负面影响：因为泵的输送体积与腔室容积成正比，所以可变的腔室容积直接意味着定量过程的可重复性较低或者从泵到泵的输送精度较低。

因此，为了将柔性薄膜热焊接到扁平阀(直径大、深度小)上，经证明有利的是，借助加热模具实施以温度和压力升高为特征的焊接过程，这个模具在阀和泵室腔的位置处具有凹部。这样就减少了至阀槽中的传热，这使得柔性薄膜不易粘贴在阀槽中并且这些阀槽的边缘不易变形。然而，事实表明，无法始终如此大幅地减小至泵室中的传热，因此，柔性薄膜根本不会粘附在泵室中。另一方面，接合模具中的阀凹部要求必须相对于阀槽极其精确对这个模具进行定向。与通常与两个组件相对彼此的机械调整相关的问题无关，接合模具的略微不均匀的加热可能会导致在不同方向上的各向异性的膨胀。因此，即使具有完美的机械定向，微流体芯片中的阀槽和接合模具中的凹部也不会总是同心地放置。类似于采用具有部分粘附的覆盖隔膜的阀，这也可能导致泵室容积的显著变化。在此，泵功率的结果也示出了泵至泵的显著变化。

即使出于上述原因(出色的可并行性、易灭菌性、较低的成本、简单地用于一次性物品/一次性使用的)，具有柔性覆盖薄膜的微流体泵系统原则上非常适合在微生物反应器中使用，如果系统敏感地对培养条件的细微变化作出反应，则本身以相同的方式设计的不同泵的输送率根据当前的现有技术的较大变化也会使得其无法用于筛查生物或优化细胞培养条件。对于这些系统而言，需要更精确地工作的定量系统。