一种超疏水或亲水金属毛细管及加工方法与流程

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种超疏水或亲水金属毛细管及加工方法。

背景技术：

1、针管按照粗细可以分为不同的型号，其中，毛细针管，即金属毛细管具有更小直径和更高精度，在当今的医疗、实验室、微加工领域具有日益广泛的应用。毛细针管能满足对微量操作和高精度的需求，不仅能提高操作的精准性，还能减轻患者的痛苦和实验操作的难度。在医疗领域，毛细针管的使用已经成为精准医学的一个关键环节。由于毛细针管直径更小、长度更长，所以其生产通常需要使用特殊合金或高强度陶瓷作为材料，而这些材料又需要采用微机械加工、电化学加工和激光切割等工艺进行生产，以致于毛细针管的加工需要更高的精密度和专业技术。以日本泰尔茂公司生产的34g×3mm规格纳诺斯针管为例(外径159μm，内径51μm)，采用的原理是将不锈钢板以微米为单位进行压卷，使用将近20个凸模与凹模模具，近十道工序的冲压加工，将不锈钢板压卷至蚊子口针一般大小之后，再将50μm厚的不锈钢板不留间隙地拼合焊接在一起，工艺繁琐，生产周期长，制作过程需要耗费大量能源和水资源。

2、此外，高度定制化针管的需求也增加了制造的复杂性。如在微流控系统中，我们往往会同时要求不同特性(如亲水性能和疏水性能)的毛细针管来实现复杂的操作。疏水针管可以用来实现液滴分离，这是因为疏水表面对水有排斥作用，因此疏水针管通常用于控制非水性液滴的生成和分离。这对于在微流控系统中实现油水两相流是很有用的。并且疏水针管还可以防止液体沿针管表面流动，从而更好地控制液滴的形成和运动。相反，亲水针管的亲水性表面有助于防止气泡在液体中形成，从而有助于提高微流控系统的稳定性。此外，不同的应用场景，对针管内外径的大小也有要求。不同于工艺难度大、极小内外径的标准毛细针管，内径小，外径大的非标准毛细针管，在实验室中的液体取样、微流控技术中细胞的传递等过程中，针管不需要进入人体或者细胞，在一些需要微量运输的场景下十分必要。另外内径小、外径大的非标准针管设计有助于在高压条件下输送液体，适用于需要在系统中维持高压的工业或实验室应用。

3、同时，使用金属针管生成极小液滴的常规过程，也具有技术上的难度。一般来说，越细的金属针管产生越小的液滴。对于特定材料的标准针管，一些材料可能在液滴生成和操作过程中表现出与微观尺度相关的特性，通常超疏水表面存在微米结构和纳米结构相结合的二级结构，且粗糙的表面经低表面能物质修饰。因此，常规的金属管要经过超疏水化才能生成极小液滴。常用的超疏水化方法中，使用化学涂层的超疏水寿命较短，使用机械加工或刻蚀的方法对于微小的针管来说工艺难度较大。

4、因此，一种能够实现可控内外径大小、几微米至几十微米内径的金属管、具有超疏水和亲水性能且能生成极小液滴的金属毛细管及其加工方法是目前行业内急需的。使用电镀(电化学沉积)方法实现所述金属管是一种可能的方法。然而，在针管的电镀过程中，通常会遇到电镀反应不充分的难点。不锈钢板的电镀是通过c型夹夹持，整体浸入电镀液中，使得电流能够均匀通过不锈钢板的表面。相比于不锈钢板的电镀，不锈钢针管的电镀过程则更为困难。首先，由于标准粗针管内部相对狭小，电镀液无法充分进入针管内部，因此电镀往往只能在针管内部的局部发生，而且，电镀的时间需要精确控制，以防镀层轻易堵住针管。另外，由于针管本身细长，因此会发生尖端效应——在工件或极板(总称电极)的边缘和尖端，往往聚集着较多的电力线。尖端效应往往会使针管的尖端或边缘产生镀层加厚、毛刺，或者烧焦等现象。所以，在针管的电镀过程中，要在管内充分反应，并减少或消除尖端效应。

5、在电镀过程中，为了使得电镀层表现出明显的疏水和亲水性能，既往的经验是在电镀液中加入结晶调节剂(如棕榈酸，盐酸乙二胺等)，能够有效控制镍层增长的方向，在微观上形成锥形，菜花型，玫瑰型等有规则的图案，这样电镀层就获得了疏水性能。然而，在镀镍之前进行简单的、较短时间的电镀冲击镍，再使用上述的结晶调节剂进行电镀，即可使得镀层获得亲水性能。从而解决特定材料与内径的金属管产生固定大小液滴，无法获得极小液滴和大液滴的技术难题。

技术实现思路

1、鉴于上述不足，本技术采用电镀技术，并且采用精密压力泵和特定通气方式，在原有普通针管的内/外部进行镀层，能够减小标准粗针管的内径，也可增大其外径。实现了超疏水金属管、亲水金属管和超细内径的金属管。因此利用超疏水和超细内径技术的组合，实现滴落液滴直径的最小化。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

3、本发明提供了一种超疏水或亲水金属毛细管的加工装置，包括：

4、提供恒流电流的恒压恒流可调电源(a)；

5、提供电解液和气管通气的电解槽(b)；

6、防止流经针管电镀液回流至压力泵的储液管(c)；以及

7、精密压力泵(d)；

8、所述精密压力泵(d)用于输出可调气压，气压的输出方式包括恒定压力驱动和周期性矩形压力在内的多种形式，所述精密压力泵(d)包括至少两个用于输出气压的气压输出接头，所述气压输出接头为luer接头；

9、所述电解槽(b)的侧边通气管口通过通气管1与精密压力泵(d)的双通道luer接口相连接；储液管(c)通过细软管与不锈钢针管尾部相连，通过通气管2与精密压力泵(d)的双通道luer接口相连接。

10、本发明提供了一种超疏水或亲水金属毛细管的加工方法，包括：

11、(1)连接装置：用钢丝系住电镀阴极将其置于电镀液中，用细软管连接不锈钢针管与储液管(c)，再将电解槽(b)和储液管(c)与精密压力泵(d)相连；恒压恒流电源(a)通过图1中黑色导电线端的鳄鱼夹和钢丝相连接，钢丝一端系在铁架台上，另一端系在电镀阴极上；恒压恒流电源(a)通过红色导电线端的鳄鱼夹和电镀阳极连接。电镀阳极置于电镀阳极袋中，电镀阳极袋工作中作用一是过滤阳极杂质，二是使阳极析出的金属离子在进入镀液时分布较为均匀。

12、(2)通气：开启双通道精密压力泵(d)，通过图1的通气管1(1)产生周期性矩形正压驱动，通过通气管2(2)产生恒定负压驱动，空气流动方向如图1黑色箭头所示；使用胶带隔绝电镀阴极顶端(如图1所标注处)外部；

13、(3)电镀：电镀液加温至55℃，水洗干净后，正极接电镀阳极，电镀阳极放置在阳极袋中，负极接电镀阴极，电源调至恒流1.2a。镀完之后尽快水洗放至自然晾干，防止氧化。

14、进一步地，所述电镀液包括：主要成分为nicl2·6h2o；次要成分是h3bo3，用来调节电镀过程中的ph值。

15、进一步地，所述电镀液还包括：ch3(ch2)14cooh。

16、进一步地，所述电镀阳极为镍板或ti-iro2阳极板；所述电镀阴极为21g不锈钢针管。

17、进一步地，所述电镀阴极在使用前还包括清洗。

18、进一步地，所述清洗包括：

19、将电镀阴极用洗洁精清洗至不挂水珠，然后自然晾干；再用钢铁清洗液1:9配水在烧杯中，配至浓度为5％-10％，在50℃下超声清洗3min，然后水洗放至晾干备用。

20、进一步地，所述通气管1产生周期性矩形正压驱动压力为：pmax＝13mbar,pmin＝0mbar,t＝30s，并保持气压输出稳定。

21、进一步地，所述通气管2产生恒定负压驱动压力为：p＝-5mbar，并保持气压输出稳定。

22、进一步地，所述电镀前还包括电镀冲击镍。

23、进一步地，所述电镀冲击镍包括：使用活化液通电在常温25℃恒流1.2a电镀3min。

24、本发明的有益效果在于：

25、本发明技术方案通过采用电化学沉积技术，解决了传统不同特性毛细针管制作中的一系列挑战和不足，为实验室液体取样、微流控技术中细胞传递等过程提供了以下有益效果：

26、1.传统金属毛细管的制作涉及多个高度复杂的工艺步骤。而本发明采用电镀技术结合精密压力泵，将这些步骤简化为一个相对较为简单的过程，从而降低了制造的复杂性，减少了制造周期。

27、2.使用本发明所提到的方案，可以简单地实现不同内外径、超疏水或亲水金属毛细管的加工，因此本方案在制造金属毛细管时具有广泛的应用性。

28、3.利用本发明得到的不同的金属毛细管，能够实现液滴取样、液滴形成、细胞传递等多个流程，并且能够实现滴落液滴的最小化。这将会在生物化学过程尤其是微流控系统中带来极大的便利。