Перистальтические насосы для single-cell и капельной микрофлюидики

Перистальтический насос можно использовать в микрофлюидной установке, но он не является универсальным решением. Его принцип работы — сжатие гибкой трубки — приводит к особенностям, которые в капельной микрофлюидике и single-cell экспериментах становятся важными: колебания потока, зависимость расхода от противодавления чипа, износ трубки. Насос подаёт жидкость, а результат эксперимента определяет вся система: чип, расходы фаз, свойства жидкостей, трубки и подготовка образца.

В статье разобрано, где такой насос может быть уместен, какие ограничения нужно учитывать и что проверить до эксперимента. Принцип работы мы разбирали в статье «Что такое перистальтические насосы», а требования к подаче в капельной микрофлюидике — в статье «Шприцевые насосы для single-cell и капельной микрофлюидики».

Как читать материал: прямых независимых испытаний перистальтических насосов в капельной генерации и в single-cell экспериментах, которые мы смогли проверить, найти не удалось. Поэтому статья опирается на общие принципы, публикации о смежных системах и материалы производителей, и каждое такое утверждение отмечено. Числовых характеристик здесь нет: они зависят от модели, трубки и чипа. Материал касается лабораторного оборудования и не описывает медицинские насосы.

Что нужно от подачи жидкости

В капельной микрофлюидике обычно есть как минимум две фазы: дисперсная (например, водный раствор, реагенты или клеточная суспензия) и непрерывная (например, масло с сурфактантом). Капля формируется в чипе, а не в насосе: на неё влияют расходы обеих фаз, геометрия канала, вязкость и межфазное натяжение. Если расход одной из фаз меняется, режим образования капель тоже может измениться.

Из этого следует несколько требований к подаче:

• расходы фаз нужно задавать и контролировать отдельно
• расход должен быть достаточно стабильным для вашего чипа, а допустимые колебания определяются самой задачей
• система должна выдерживать противодавление чипа без заметного ухода расхода
• линия подачи не должна накапливать воздух и пузыри

В single-cell экспериментах к этому добавляется работа с клетками. Стабильная подача сама по себе не обеспечивает «одну клетку в одной капле»: при случайной инкапсуляции распределение клеток по каплям подчиняется статистике Пуассона, и часть капель остаётся пустой. Подробнее об этом — в статье про шприцевые насосы, которую мы упоминали выше.

Какую роль играет перистальтический насос

Перистальтический насос подаёт жидкость из ёмкости по гибкой трубке, которая подсоединяется к входу чипа через коннекторы. Жидкость при этом контактирует только с трубкой, а трубку можно заменить, поэтому такой насос удобен там, где нужно избежать контакта среды с узлами привода.

Расход определяется сочетанием трубки, головки и скорости вращения. Производители указывают, что на фактический расход влияют износ и упругость трубки, приработка новой трубки, противодавление, скорость, вязкость и температура. Это важно для микрофлюидики: чип создаёт сопротивление потоку, и фактический расход может отличаться от заданного на дисплее. Поэтому расход нужно измерять в вашей системе, а не только полагаться на настройку насоса.

Терминологический нюанс

В научных публикациях по микрофлюидике «перистальтическим насосом» часто называют и встроенное в чип устройство, которое создаёт поток последовательным срабатыванием клапанов. Это другая конструкция. В этой статье речь идёт о насосах с гибкой трубкой и роторной головкой, внешних по отношению к чипу.

Пульсации и стабильность потока

Пульсации возникают потому, что жидкость вытесняется порциями при каждом прохождении ролика. О причинах и способах снижения мы писали в статьях «Что такое перистальтические насосы» и «Типы головок перистальтических насосов». Полностью устранить пульсации нельзя, корректно говорить о снижении их уровня.

Что известно о влиянии колебаний потока на капли:

• в экспериментальной работе 2015 года (Zeng и др., Journal of Micromechanics and Microengineering) для T-образного канала сравнили капельные генераторы, питаемые шприцевым насосом и давлением. Авторы показали, что обе системы дают высокочастотные колебания потока, приводящие к неоднородности размеров капель, а шприцевой насос добавляет низкочастотные колебания, связанные с механическими колебаниями самого насоса. Перистальтические насосы в этой работе не рассматривались
• в численном моделировании 2025 года (Processes) для T-образного канала показано, что пульсирующая подача дисперсной фазы может менять режим образования капель. Это двумерная расчётная модель, а не эксперимент с перистальтическим насосом

Эти работы показывают принцип: колебания потока могут влиять на размер и однородность капель. Но количественно оценить влияние пульсаций конкретного перистальтического насоса на ваш чип можно только измерением на вашей установке.

Производители систем управления давлением (Fluigent, Elveflow) указывают, что перистальтические насосы создают пульсации и менее стабильны на малых расходах по сравнению с шприцевыми и напорными системами. Эти компании продают именно напорные контроллеры, а их сравнения даны в качественной форме, без условий измерений. Поэтому такие оценки стоит учитывать как мнение поставщика альтернативной технологии, а не как независимый результат.

Как уменьшают пульсации

Используют несколько подходов:

• головки с большим числом роликов: пульсации обычно меньше, но трубка сжимается чаще, и ресурс трубки сокращается (мы писали об этом в статье о типах головок)
• демпферы пульсаций. Например, дистрибьютор Darwin Microfluidics предлагает демпфер марки Innofluid для перистальтических насосов; производитель заявляет подавление пульсаций, но не приводит условий измерения этой цифры. Он же указывает условия установки: выходная трубка меньшего диаметра, чем входная, определённой длины, с выходом выше демпфера
• настройку выходной линии: длина и диаметр трубки влияют на сопротивление и на форму потока

Демпфер по сути добавляет в линию упругий элемент, а любая податливость, как мы писали в статье про шприцевые насосы, замедляет реакцию системы на изменение расхода. Достаточно ли выбранной меры для вашего чипа, показывает только измерение с демпфером и без него.

Подача клеточных суспензий

Можно ли подавать клетки перистальтическим насосом, зависит от типа клеток, трубки, скорости и геометрии тракта. Мы не нашли независимых данных о том, что перистальтический принцип безопасен для клеток вообще, поэтому такое утверждение нельзя принимать как факт.

Есть противоположные заявления производителей. Материалы поставщиков называют перистальтические насосы щадящими для чувствительных к сдвигу жидкостей, но в доступном нам тексте такие заявления не подкреплены данными. Производитель систем давления, наоборот, сообщал в своей заметке о наблюдениях за клетками при рециркуляции среды: при перистальтической подаче плотность клеток снизилась, и клетки выглядели округлыми, а при подаче давлением состояние клеток сохранялось. Это испытание одного производителя, качественное, на другой задаче (рециркуляция среды на чипе), без счёта жизнеспособности и статистики. Оба заявления нельзя переносить на ваш эксперимент.

Поэтому для клеточных суспензий:

• не считайте перистальтическую подачу автоматически щадящей и не считайте её автоматически вредной
• сравните размер клеток с внутренним диаметром трубки и сечением каналов чипа
• проверьте, не оседают ли клетки в трубке и ёмкости и не агрегируют ли они
• оцените жизнеспособность клеток до и после прохождения через систему на вашем протоколе

Капельная микрофлюидика: две фазы

Для двух фаз нужны отдельные линии с независимым управлением. Можно использовать отдельные насосы или многоканальную систему, но у многоканальной системы нужно уточнить, действительно ли каналы независимы. При общем роторе скорость вращения у каналов одинакова, а различия в расходе определяются трубками, и согласовать два канала с разными расходами таким образом не получится.

Размер капли определяется совокупностью факторов: расходами обеих фаз, геометрией канала, вязкостью и межфазным натяжением. Насос определяет только подачу. Поэтому нельзя говорить, что перистальтический насос сам обеспечивает точную генерацию капель или задаёт их размер.

Отдельный вопрос — совместимость трубки с жидкостями. Силикон подходит не для всех сред, а совместимость с маслами и растворителями нужно проверять по таблицам производителя трубки. Универсально подходящего материала нет.

Когда перистальтический насос может быть уместен

Производитель систем управления давлением, сравнивая технологии, называет перистальтические насосы хорошим вариантом для больших объёмов, высоких расходов и рециркуляции: насос может брать жидкость из открытой ёмкости, поэтому объём не ограничен шприцем. Дистрибьюторы отмечают и другое свойство: смачиваемой частью остаётся только трубка, которую можно заменить, что ограничивает риск загрязнения.

Для чипа, где важен малый стабильный поток, и для генерации капель одинакового размера подачу нужно подбирать под требуемые параметры и проверять на установке.

Когда стоит рассмотреть другие способы подачи

Если перистальтический насос не обеспечивает нужной стабильности, можно рассмотреть шприцевые насосы или напорную подачу. Но и они не лишены колебаний: в упомянутой работе 2015 года обе системы давали высокочастотные колебания потока. Поэтому выбор делают по измеренным параметрам вашей установки, а не по общему рейтингу. О шприцевых насосах для этих задач мы писали в отдельной статье.

Что проверить до эксперимента

Составьте требования и проведите испытание на модельной жидкости до работы с клетками:

• определите диапазон расхода каждой фазы, допустимые колебания потока, противодавление чипа и условия по температуре
• подберите трубку по совместимости со всеми жидкостями, включая масло, и по размеру относительно клеток и каналов
• проверьте, что каналы насоса независимы, если нужны разные расходы фаз
• измерьте фактический расход в вашей системе, например, весовым методом, как это делают авторы открытых проектов насосов, и проверьте его на длительной работе с учётом износа трубки
• оцените, как меняется расход после приработки трубки и при смене противодавления
• сгенерируйте капли на модельных жидкостях и оцените разброс их размеров, при необходимости с демпфером и без него
• только после этого проведите проверку жизнеспособности клеток на вашем протоколе
• зафиксируйте параметры эксперимента и замены трубок, чтобы можно было оценить воспроизводимость

Допустимые пороги колебаний и разброса зависят от вашей задачи, универсальных значений нет.

Главное

Перистальтический насос может подавать жидкости в микрофлюидные установки, особенно когда важны большой объём, рециркуляция, стерильная замена линии или простота. Для генерации капель одинакового размера и для работы с клетками его применимость нужно подтверждать измерениями на вашей системе: пульсации, зависимость расхода от противодавления и износ трубки могут влиять на результат, а данные о безопасности для клеток противоречивы и исходят в основном от производителей. Не стоит считать этот насос ни универсальным, ни непригодным: решение зависит от чипа, жидкостей и требований эксперимента.

Если вы подбираете оборудование для микрофлюидной установки, напишите нам: поможем описать задачу и определить, какие параметры нужно проверить. Приборы Fluidica — в каталоге насосов, раздел «Перистальтические насосы».

Источники

Прямых независимых испытаний перистальтических насосов в капельной генерации и в single-cell экспериментах среди проверенных источников нет. Материалы производителей систем управления давлением (Fluigent, Elveflow) поданы как позиция поставщика альтернативной технологии. Описания конкретных продуктов относятся к ним и не переносятся на другое оборудование. Числовые данные источников в статье не используются.

1. Zeng, Jacobi, Li, Stone — Variation in polydispersity in pump- and pressure-driven micro-droplet generators, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2015. Аннотация; сравнение шприцевого и напорного питания.
2. Kuljabekov et al. — Numerical Study of Pulsation-Controlled Droplet Generation in a Microfluidic T-Junction, Processes, 2025. Численное моделирование, не эксперимент.
3. Fluigent — Microfluidic flow control: comparison between peristaltic, syringe and pressure pumps. Материал производителя напорных контроллеров.
4. Fluigent — Peristaltic pump vs pressure-based flow control for organ-on-chip applications. Заметка производителя, качественные результаты по клеткам.
5. Elveflow — Peristaltic pump vs pressure-based flow control systems. Материал производителя напорных контроллеров.
6. Darwin Microfluidics — Fluid Pulse Damper. Карточка продукта; заявления производителя без условий измерения.
7. BioTechniques — Shear-sensitive pumping with peristaltic pumps. Спонсорский материал; данных в доступном тексте нет.
8. Cole-Parmer — How to achieve accurate dispensing with peristaltic pumps. Материал производителя: трубка, приработка, противодавление, скорость.
9. John Morris Group — How to Select the Right Masterflex Peristaltic Pump System. Материал дистрибьютора: смачиваемая часть, совместимость трубки со средой.
10. Behrens et al. — open-source 3D-printed peristaltic pump for small-volume liquid handling, Scientific Reports, 2020. Весовые измерения расхода авторами.