本發(fā)明屬于微流控芯片技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微流控芯片及海藻酸鹽磁性微球的制備方法。

背景技術(shù)：

微流控芯片技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代，由網(wǎng)絡(luò)化的微通道控制流體，將整個實驗室的功能包括樣片預(yù)處理、反應(yīng)、分離、檢測等集成在微芯片上，使分析速度得到極大提高。

微球技術(shù)通過對物質(zhì)進(jìn)行膠囊化，可以改善包囊物質(zhì)的物理性質(zhì)(顏色，外觀，表觀密度等)；提高物質(zhì)的穩(wěn)定性，耐久性。海藻酸鹽是來源于褐藻的天然多糖化合物，具有來源廣泛，安全無毒等優(yōu)點，海藻酸鹽已被越來越多地應(yīng)用于藥物緩控釋尤其是微/納米緩控釋載體材料，具有很高的應(yīng)用前景。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域微球能夠儲存藥物等微細(xì)狀態(tài)的物質(zhì)，并在需要時進(jìn)行釋放。磁性高分子微球作為藥物載體，被注射到動物體內(nèi)，在外加磁場下，通過納米粒子的導(dǎo)航，移向病變區(qū)，這就是磁性納米粒子在藥物中應(yīng)用的基本原理。用磁性高分子微球作為藥物載體可以提高藥效，降低藥物對正常細(xì)胞的傷害，成為磁控導(dǎo)彈，這也是當(dāng)今的熱門課題之一。

如今已經(jīng)國內(nèi)外已經(jīng)存在多種針對海藻酸鹽磁性微球的制備方法，如同軸靜電噴射、共沉淀法、溶膠凝膠法、水熱法等。其中同軸靜電噴射需要近10KV的高壓，設(shè)備復(fù)雜，對溫度要求較高，低于0℃，高于50℃都將會使磁性微球制備失?。还渤恋矸?，合成簡單，但形貌差，純度低；溶膠凝膠法合成過程復(fù)雜，燒結(jié)性差，應(yīng)用范圍窄；水熱法，溫度要求高，周期長；微乳液法，合成磁性材料為核殼型混合型。

上述方法制備過程中常常加入有機(jī)溶劑或較大量的表面活性劑，在醫(yī)療領(lǐng)域、食品工業(yè)、水污染治理等領(lǐng)域，具有潛在的毒性危險。因此，需要一種更簡單、安全、高效的制備海藻酸鹽磁性微球的方法，而基于微流控芯片制備磁性微球可以有效避免這些潛在的危險。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種簡單、安全、高效的微流控芯片，可以實現(xiàn)磁性微球快速、安全、高效制備，微流控芯片加工簡單、以微流控芯片為核心的微球制備系統(tǒng)更為簡單，能夠解決傳統(tǒng)微球制備方法中的制備條件要求苛刻的缺點，保證微球溫和的內(nèi)部環(huán)境以及磁珠的物理化學(xué)特性。

本發(fā)明還提供了采用上述微流控芯片制備海藻酸鹽磁性微球的方法，使微球制備效率更高，微球粒徑更小。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種微流控芯片，由蓋板、通道板、底板組成；蓋板包括：油相入口、海藻酸鈉液相入口、磁珠液相入口、氯化鈣液相入口、磁性微球出口；通道板包括：油相通道、海藻酸鈉液相通道、磁珠液相通道、氯化鈣液相通道、液滴生成結(jié)構(gòu)、液滴流出通道、蛇形通道；油相通道的端頭與油相入口連通；海藻酸鈉液相通道的端頭與海藻酸鈉液相入口連通；磁珠液相通道的端頭與磁珠液相入口連通；氯化鈣液相通道的端頭與氯化鈣液相入口連通；液滴生成結(jié)構(gòu)位于油相通道、海藻酸鈉液相通道、磁珠液相通道、氯化鈣液相通道的交匯處；液滴流出通道與液滴形成結(jié)構(gòu)連接；蛇形通道位于微流控芯片的中間部分且與液滴流出通道相連；磁性微球出口位于芯片的尾端與蛇形通道的末端連通；其中，油相通道與海藻酸鈉液相通道、海藻酸鈉液相通道與磁珠液相通道、磁珠液相通道與氯化鈣液相通道的夾角大小均為45°。

進(jìn)一步的，所述油相通道與液滴流出通道在一條直線上。

進(jìn)一步的，微流控芯片的材料為PMMA、PDMS、玻璃或硅片。

進(jìn)一步的，所述磁珠液相通道在海藻酸鈉液相通道與氯化鈣液相通道之間。

進(jìn)一步的，所述蓋板上的油相入口、海藻酸鈉液相入口、磁珠液相入口、氯化鈣液相入口、磁性微球出口均為圓柱形通孔，且內(nèi)徑相同均為1mm。

進(jìn)一步的，所述通道板上每個通道的截面的大小為100μm×100μm～500μm×500μm。

本發(fā)明所采用的另一種技術(shù)方案是，一種微流控芯片制備海藻酸鹽磁性微球的方法，具體按照以下步驟進(jìn)行：

步驟1，

取海藻酸鈉分析純?nèi)苡谌ルx子水中，在60℃的水浴環(huán)境下充分?jǐn)嚢瑁鋫滟|(zhì)量百分比濃度為1％～10％的海藻酸鈉溶液；配備與海藻酸鈉溶液相同濃度的氯化鈣溶液；

步驟2，

在同一時間使用注射泵往油相入口、海藻酸鈉液相入口、磁珠液相入口、氯化鈣液相入口分別注入硅油、海藻酸鈉溶液、磁珠溶液、氯化鈣溶液，形成油相、海藻酸鈉液相、磁珠液相、氯化鈣液相；在硅油的擠壓剪切作用下，海藻酸鈉溶液、磁珠溶液、氯化鈣溶液在液滴生成結(jié)構(gòu)處形成層流，并最終在液滴生成結(jié)構(gòu)處形成包含海藻酸鈉、磁珠、氯化鈣三種物質(zhì)且未充分混合的三相液滴；三相液滴進(jìn)入液滴流出通道，然后進(jìn)入蛇形通道，在蛇形通道處充分混合，形成堅硬的磁性微球；最后，磁性微球通過磁性微球出口從微流控芯片中流出。

進(jìn)一步的，注入海藻酸鈉溶液的流速為1ml/min，注入氯化鈣溶液的流速為1ml/min，注入硅油的流速為2ml/min，注入磁珠溶液的流速為1ml/min。

本發(fā)明的有益效果是：制備過程中不需要加入有機(jī)溶劑或較大量的表面活性劑，因此能安全穩(wěn)定且高效地生成大量的微球。本發(fā)明生成的磁性微球，通過磁場的控制定向運送藥物并能準(zhǔn)確地到達(dá)病變組織，減少對健康細(xì)胞的傷害，對于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)有巨大的貢獻(xiàn)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明制備海藻酸鹽磁性微球生成情況示意圖。

圖3為兩分叉通道不加磁珠的微膠囊效果圖。

圖中，1.蓋板；11.油相入口；12.海藻酸鈉液相入口；13.磁珠液相入口；14.氯化鈣液相入口；15.磁性微球出口；2.通道板；21.油相通道；22.海藻酸鈉液相通道；23.磁珠液相通道；24.氯化鈣液相通道；25.液滴生成結(jié)構(gòu)；26.液滴流出通道；27.蛇形通道；3.底板；41.油相；42.海藻酸鈉液相；43.磁珠液相；44.氯化鈣液相；45.磁性微球。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明微流控芯片的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由蓋板1、通道板2、底板3組成；

蓋板包括：油相入口11、海藻酸鈉液相入口12、磁珠液相入口13、氯化鈣液相入口14、磁性微球出口15；

通道板2包括：油相通道21、海藻酸鈉液相通道22、磁珠液相通道23、氯化鈣液相通道24、液滴生成結(jié)構(gòu)25、液滴流出通道26、蛇形通道27；油相通道21的端頭與油相入口11連通；海藻酸鈉液相通道22的端頭與海藻酸鈉液相入口12連通；磁珠液相通道23的端頭與磁珠液相入口13連通；氯化鈣液相通道24的端頭與氯化鈣液相入口14連通；液滴生成結(jié)構(gòu)25位于油相通道21、海藻酸鈉液相通道22、磁珠液相通道23、氯化鈣液相通道24的交匯處；液滴流出通道26與液滴形成結(jié)構(gòu)25連接；蛇形通道27位于微流控芯片的中間部分且與液滴流出通道26相連；磁性微球出口15位于芯片的尾端與蛇形通道27的末端連通。

油相通道21與海藻酸鈉液相通道22、海藻酸鈉液相通道22與磁珠液相通道23、磁珠液相通道23與氯化鈣液相通道24的夾角大小相同且為45°。

油相通道21與液滴流出通道26在一條直線上。

通道板2與底板3可以合為一層。

微流控芯片的材料為PMMA、PDMS、玻璃或硅片。

微流控芯片的加工方法可以為：激光加工、CNC數(shù)控機(jī)床加工、模具注塑。

為使磁珠更易于包裹于微球中，磁珠液相通道23在海藻酸鈉液相通道22與氯化鈣液相通道24之間。

蛇形通道27為輔助混合通道。

蓋板1上的油相入口11、海藻酸鈉液相入口12、磁珠液相入口13、氯化鈣液相入口14、磁性微球出口15均為圓柱形通孔，且內(nèi)徑相同均為1mm。

通道板上每個通道的端頭結(jié)構(gòu)與蓋板上入口通孔還有后續(xù)的硅膠管的內(nèi)徑都相等。原因是在形成膠囊的過程，還存在著海藻酸鈉溶液與氯化鈣溶液未完全反應(yīng)的時間，此時內(nèi)徑變大會導(dǎo)致膠囊與膠囊之間的距離減小，膠囊容易黏到一起；內(nèi)徑若變小，可能會導(dǎo)致孔徑被堵塞。

通道板2上每個通道截面的大小為100μm×100μm～500μm×500μm。

本發(fā)明所設(shè)計的S型蛇形通道27主要是為了增加流道長度，促進(jìn)微膠囊內(nèi)部混合反應(yīng)的效果，理論上膠囊內(nèi)部的溶液完全反應(yīng)需要的時間較長。本發(fā)明所設(shè)計的蛇形通道經(jīng)過FITC熒光觀察，在第三個半圓弧處已經(jīng)微膠囊內(nèi)部混合效果很好。

目前各文獻(xiàn)報道中，常用的流道形狀有矩形、S型、鋸齒型、渦流型、圣誕樹型等。每種方法各有優(yōu)缺點。本文所采用的S型微流道本質(zhì)上為增加流道長度，其中鋸齒形的尖角會增大剪切，提高兩種溶液的混合效果，圣誕樹型將流體細(xì)分成若干更為細(xì)小的分支流道，以實現(xiàn)有效快速的混合，這些流道的變形針對連續(xù)流而言十分有效，本發(fā)明中已經(jīng)將連續(xù)流轉(zhuǎn)換為離散流，因此不需要流道的突兀變形，也不需要進(jìn)行流體細(xì)分，只需要增加流道長度，使微膠囊芯材或壁材成型發(fā)生穩(wěn)定的混合或反應(yīng)，至出口處形成均勻穩(wěn)定的微膠囊顆粒。因此S型流道是本發(fā)明最為合適的流道形狀。

本發(fā)明微流控芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計上突出的優(yōu)點為圖海藻酸鈉液相通道22、磁珠液相通道23、氯化鈣液相通道24中所示的分叉結(jié)構(gòu)及S型延長通道。各分叉流道處于同一平面內(nèi)，降低了加工的難度，國內(nèi)所報道的微液滴、微膠囊或微液滴的剪切法多為T型、十字型、Y型通道，通道入口在同一平面或三維平面內(nèi)。少見本發(fā)明所述同一平面內(nèi)多分叉結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所設(shè)計的分叉結(jié)構(gòu)每個分支間的夾角為45度。經(jīng)過FITC熒光顯微鏡觀察，剪切效果好，微膠囊顆粒均勻，形貌良好。

采用微流控芯片制備海藻酸鹽磁性微球的方法，如圖2所示，具體按照以下步驟進(jìn)行：

步驟1，

取海藻酸鈉分析純?nèi)苡谌ルx子水中，在60℃的水浴環(huán)境下充分?jǐn)嚢?，配備質(zhì)量百分比濃度為1％～10％的海藻酸鈉溶液；配備與海藻酸鈉溶液相同濃度的氯化鈣溶液；

步驟2，

在同一時間使用注射泵往油相入口11、海藻酸鈉液相入口12、磁珠液相入口13、氯化鈣液相入口14分別注入硅油、海藻酸鈉溶液、磁珠溶液、氯化鈣溶液，形成油相41、海藻酸鈉液相42、磁珠液相43、氯化鈣液相44；注入海藻酸鈉溶液的流速為1ml/min，氯化鈣溶液的流速為1ml/min，硅油的流速為2ml/min，磁珠溶液的流速為1ml/min。(磁珠溶液流速快慢決定了微膠囊所包裹磁珠(實驗采用四氧化三鐵)的百分比濃度，即決定其磁珠微膠囊的磁場強(qiáng)度)。在硅油的擠壓剪切作用下，海藻酸鈉溶液、磁珠溶液、氯化鈣溶液在液滴生成結(jié)構(gòu)25處形成層流。并最終在液滴生成結(jié)構(gòu)25處形成包含海藻酸鈉、磁珠、氯化鈣三種物質(zhì)且未充分混合的三相液滴；三相液滴進(jìn)入液滴流出通道26，然后進(jìn)入蛇形通道27，在蛇形通道27處充分混合，形成堅硬的磁性微球45；最后，磁性微球45通過磁性微球出口15從微流控芯片中流出。

形成層流的原因是：在宏觀體系中，對于高雷諾數(shù)的低黏度流體，通常采用產(chǎn)生湍流的方法，利用對流效應(yīng)形成微區(qū)分散結(jié)構(gòu)進(jìn)行混合，而對于高黏度流體或微結(jié)構(gòu)中，液流雷諾數(shù)很小使得液流很難產(chǎn)生湍動，為層流。

本發(fā)明的優(yōu)點是：將微流控技術(shù)應(yīng)用于磁珠微球的生成，在磁珠微球生成的過程中，不需要高溫和劇烈的化學(xué)反應(yīng)，能夠保證磁珠的物理化學(xué)特性不會發(fā)生改變。難點在于各分支通道的流速控制，即剪切力大小的控制，產(chǎn)生微膠囊的關(guān)鍵參數(shù)為流速、管道尺寸，各參數(shù)要相匹配。圖3為2分叉通道的不加磁珠的微膠囊效果圖。從圖3中可以看出，非十字型通道的叉形流道更容易獲得形貌良好的微膠囊，顆粒更加均勻。而常規(guī)采用的十字型通道由于各分支通道的流速波動，常常會造成各分支通道溶液混比不均勻，微膠囊顆粒不均勻，產(chǎn)率低。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。