低温保存被普遍应用于生物保存等多种领域。在低温保存过程中,添加/去除低温保护剂(CPA)过程中细胞外渗透压连续改变易导致细胞损伤甚至死亡。现有的处理方法受到处理效率、处理通量、细胞回收率低等多种限制。现有的膜式微流控系统还因微滤膜两侧压力变化易造成细胞堵塞微滤膜孔。为解决上述问题,本文通过分阶段的渗透压变化减少细胞损伤,使细胞在每一阶段渗透压变化后有时间适应环境变化,同时通过灌注液往细胞悬浮液的单向传质避免微滤膜污染。基于此思路本文设计了序列化灌注式芯片,通过特殊设计的结构阶段性地改变细胞悬浮液中的CPA浓度。通过这种芯片减少因渗透压失衡造成的细胞损伤同时高效的完成CPA添加/去除。本文进行的主要工作有:(1)提出序列化灌注式微流控芯片的方案原理,对灌注液往细胞悬浮液的单向灌注进行理论推导。根据添加/去除CPA前后的细胞悬浮液渗透压变化设计阶段性的灌注过程,在理论模型基础上设计芯片结构,设计“膜窗”实现阶段性灌注过程。加工装配原型装置。(2)研究序列化灌注式芯片的传质特性,进行装置级仿真得出灌注液向细胞悬浮液跨膜传质的灌注序列。通过灌注序列计算流道内CPA浓度分布,从而进行细胞级仿真计算细胞体积动态响应。进行荧光实验可视化地探究芯片的传质特性,利用荧光素钠盐溶液在激光下荧光强度的变化反映CPA浓度在流道内的变化,并对比实验结果与仿真结果验证仿真方法可行性。同时通过荧光实验辅助改进芯片结构设计与装配工艺。(3)利用原型装置进行人血红细胞(RBC)的低温保护剂(20%甘油)添加/去除实验,并与现有方法(单步、多步、连续法)进行对照实验,验证芯片添加/去除CPA的性能。通过多种指标(细胞计数、血红蛋白浓度)评价实验结果。序列化灌注式芯片在低通量(0.2ml/min)到高通量(0.8ml/min)入口条件下均能获得稳定且良好的细胞回收率(添加阶段100%,去除阶段高于88%),同时有稳定在90%的CPA去除率。与对照组相比,本文设计的芯片处理性能有显著的提升,并能适应较大的入口流量范围。(4)为优化实验条件提升处理效率,本文设计了一种自动化装置,可以为实验提供稳定温度环境,同时可以提供稳定的入口流量,并设计了自持式夹管阀用于控制管路通断。本文设计的序列化灌注式微流控芯片具有高安全性、高通量和高可行性的特点,可以作为安全高效进行CPA添加/去除的极具希望的解决方案。