随着生殖细胞、干细胞以及免疫细胞等生物样品在临床疾病治疗和科学研究领域中的广泛应用,低温保存面临越来越多的微量体积生物样品,而现有的技术或者方法处理效果并不理想,系统效率需要显着提高才能满足实际需求。溶液单次经过这些装置处理,难以充分添加/去除低温保护剂。本文基于自发的“浓缩—稀释”效应开发了一款新的膜式微流控系统,实现高效、安全地为微量体积生物样品添加/去除低温保护剂。对于所提出的方法,主要研究工作如下:1、芯片与系统设计:基于流体动力学和正交试验设计原理,仿真优化微流道相关几何参数,得到最优微流控芯片设计方案;然后,进行了多通道注射泵运动结构系统、限位系统等的详细设计,建立基于STM32开发板的控制平台,应用Keil uVision5软件编制控制程序,软硬件联调,实现整个样机的集成。最后,对注射泵进行了运行速度和流量精度测试,结果表明其精度达到97%以上,初步符合实验需求,可以很好地应用于下一步低温保护剂处理实验;2、膜式微流控系统传质特性研究:建立了流体流动和跨细胞膜传质理论模型,仿真分析不同传质参数对低温保护剂浓度和细胞体积动态变化的影响,得到最优的处理条件。开展了无细胞实验验证理论模型的准确性。分析表明,仿真计算数据与实验结果吻合良好;溶液浓度分布、输出特性实验研究则进一步说明系统可以可控、高效地处理低温保护剂;3、红细胞低温保护剂处理的实验研究:经过理论和无细胞研究实验掌握了系统传质的基本特性,进行了一系列的细胞实验,进一步分析系统的实际性能。实验结果表明,系统可在8min左右实现50ml红细胞悬浮液低温保护剂的添加工作,整个处理阶段,红细胞悬浮液溶液浓度逐渐持续变化,且最终细胞回收率达到93.78%。上述研究结果表明:所提出的膜式微流控系统能够有效实现微量体积生物样品低温保护剂的平稳、可控添加/去除处理,有望大幅度提高微量体积生物样品低温保护剂处理的效率和效果。