專利名稱：集成芯片及其裝置、以及制備微米級分散體的方法
集成芯片及其裝置、以及制備微米級分散體的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應用造影劑對比顯像技術，尤其涉及的是， 一種釆用微流控技
術制造微米級分散體的大規(guī)模集成芯片； 一種釆用該芯片的裝置，可用于制備超聲造影劑；以及采用該裝置制備微米級分散體的方法，微米級分散體可以用作超聲造影劑。
背景技術：
在臨床診斷中，無創(chuàng)、實時、動態(tài)地檢測有關組織的結構和功能信息已經變得日益重要。超聲診斷技術不僅具有上述的特點，而且，與X射線、核磁共振成像技術相比，還具有安全、適應面廣、可反復檢查、對軟組織的鑒別能力強、靈活性強及價格低廉等優(yōu)點，是世界上使用最廣泛的影像技術。
應用造影劑對比顯像是影像技術發(fā)展的核心內容。與各種影像技術相比，超聲是應用范圍最廣泛但惟一未能常規(guī)應用造影劑的影像技術，對比超聲技術的核心是超聲造影劑。
1968年，Gramiak等首次觀察到經導管注射含氣鹽水可使右心顯影增強，揭開了心臟聲學造影的序幕。在這一階段，人們主要利用通過手振生理鹽水或C02發(fā)泡劑等方法制作超聲造影劑。其微泡直徑較大、均一性不佳，難以通過肺循環(huán)。另外因為無外殼的保護，微泡中氣體迅速在血液中彌散使得微泡存活時間短暫，有學者將這一時期的造影劑稱為第0代超聲造影劑。
1984年Feinstein等采用聲振法制備得到穩(wěn)定的微氣泡才真正進入左心造影時代。最開始出現(xiàn)的是包裹空氣的微泡，包裹空氣的外殼材料種類繁多，大致可以分為蛋白質外殼、脂質體外殼、表面活性劑外殼和高聚物外殼等，稱為第一代超聲造影劑。由于空氣在血液中的溶解度和彌散度較大，微泡內的空氣容易通過外殼彌散入血液，使得造影劑微泡變小或消失。另外，因為微泡的散射信號與直徑的6次方成正比，只要有少量的空氣溢出， -微泡的直徑輕度變小，就會使微泡的回聲信號明顯衰減。具有代表性的產品有美國的Albunex、德國Schering公司的Levovist，第一代的超聲造影劑的穩(wěn)定性和存活時間不夠長，極大的限制了它的應用，2000年后已逐漸退出造影劑市場及研究領域。
5從1995年以來，因為高分子量、低血液溶解度和彌散性的氟碳氟硫類氣體的引入，使超聲造影劑的存活時間及穩(wěn)定性有了顯著提高，稱為第二代超聲造影劑。具有代表性的超聲造影劑美國的Optison、 Defmity 、 EchoGen和AI-700等，意大利Bracco公司的SonoVue ( BR1)和BR14等。
目前，國外已有多種新一代產品上市，而國內沒有自主上市的產品，意大利Bracco公司生產的是唯一被我國衛(wèi)生部批準商品化的超聲造影劑，價格十分昂貴。
總而言之，常規(guī)超聲造影劑是一種含高濃度微泡的懸浮液，微泡以白蛋白、脂質、表面活性劑或高聚物為外殼，平均直徑約2-4微米，小于紅細胞，經周圍靜脈注射后能夠穩(wěn)定的通過肺循環(huán)到達左心系統(tǒng)，進而抵達全身各器官。超聲造影劑微泡與血液及人體組織的聲阻抗差別極大，與超聲波之間的作用非常復雜，可以改變所在部位的背向散射系數、衰減系數、聲速及其它聲學特性，注入血管后能增強局部組織的超聲回波能力，從而明顯改善超聲影像對組織血流灌注的顯影效果，顯著提高超聲診斷的敏感性和特異性，突破了常規(guī)超聲發(fā)展的瓶頸，進一步拓展超聲診斷領域。
并且，超聲造影劑不僅可用于常規(guī)造影增強，還可用于靶向診斷和介入治療，將特異性配體結合到造影劑微泡表面，使它到達感興趣的組織或器官，選擇性地與相應受體結合，從而達到特異性增強靶區(qū)超聲信號或局部靶向治療的目的。而介入治療的研究，使超聲造影劑的應用范圍不斷擴大，應用價值不斷提升。
例如，利用造影劑微泡降低超聲空化閾值，從而促進超聲溶栓或提高高功
率聚焦超聲的治療效果；或利用超聲波破壞攜帶基因或藥物的造影劑微泡，使基因或藥物靶向釋放并促進其穿透，以介導基因轉移或藥物靶向治療；或利用造影？ 1導射頻或微波治療并即時評價治療效果等。
靶向超聲造影劑的研究正成為超聲影像學領域的熱點。無論從活性基團的選擇、修飾方法的發(fā)明、靶向作用的檢測，還是體內藥代藥效研究和臨床應用都取得了非?？上驳某煽?。隨著高分子材料的快速發(fā)展和^:泡制備工藝的不斷完善，微泡超聲造影劑必將朝著更加個性化的方向發(fā)展，未來的微泡超聲造影劑不僅能應用于不同生理和病理狀態(tài)下的特異超聲成像，還可以作為攜帶藥物或治療基因的載體，在治療領域開辟一片新的天地。為此，國外醫(yī)療機構預測超聲造影劑不久將成為超聲診斷或治療中的常用試劑，具有巨大的社會效益和經濟價值。
目前，超聲領域研究的熱點集中在兩方面 一是各種增強超聲造影的成像技術，如觸發(fā)成像技術、二次諧波成像技術、次諧波成像技術、基波脈沖抵消成像技術、能量脈沖反向成像技術、低機械指數實時成像技術等；另一方面則是研究新的更加穩(wěn)定可靠的超聲造影劑。
理想的超聲造影劑應具備以下特性(l)安全無毒，粘稠度低，無生物活性，對循環(huán)系統(tǒng)沒有生理上的影響，不明顯稀釋紅細胞濃度；(2)微泡大小符合要求,具有一定的氣泡壓力，使灌注后保持足夠長的時間和足夠強的回波強度；(3)反射性好,衰減偽差小，回波信號及多普勒信號增強明顯，能夠發(fā)生諧波共振增大背散射面積；(4)能靜脈給藥，體內穩(wěn)定性好，使用方便，對造影顯像的儀器條件沒有極為特殊的要求，便于普及；(5)具有穩(wěn)定的濃度和劑型，易于消毒、滅菌、保存、運輸，能夠批量生產。
目前最常用的制備超聲造影劑微泡的方法是聲振法和機械振蕩法。
聲振法是利用超聲波振蕩時產生的高頻變換的正負聲壓，其中的負聲壓使存在于造影劑制備液中的氣體膨脹形成微小氣泡，此時，制備液中的脂質或白蛋白、表面活性劑、多聚體等趁機包裹微小氣泡形成穩(wěn)定的造影劑微泡。超聲造影劑中的白蛋白類、脂類、多聚體類、表面活性劑類等，其制備過程都是采用聲振法。
但是，聲振法存在以下缺點(1)探頭式聲振儀的工藝參數，包括功率、探頭在液面的位置、深度等，不易控制，工藝重現(xiàn)性受到一定影響；(2)由于探頭要放在制備液內部，因此在聲振過程中很難做到無菌操作，并存在金屬污染的可能，給造影劑的質量控制、制備工藝增加了一定難度；(3)聲振過程中產生較多的熱量，對脂質的活性，尤其在制備攜帶某些配體、藥物或基因的造影劑時，對同時聲振的配體、藥物或基因的活性產生4艮大的影響。
機械振蕩法是利用高頻機械振蕩時，制備液中各點受力的時相不同產生不同的正負壓力，其中的負壓可使存在于制備液中的氣體形成微小氣泡。頻率越高，正負壓力的變換越快，負壓的時間越短，氣體膨脹越小，形成的氣泡就越??；振幅越小，產生的負壓力越小，相同時間情況下，由負壓產生的氣體膨脹越小，形成的氣泡越小，由于制備超聲造影劑需要形成較小的微泡，因此，制備超聲造影劑的機械振蕩裝置需要較高的頻率、較低的振幅。
但是，機械振蕩法存在以下缺點(1)造影劑微泡粒徑大小不能夠精確控 制；(2)形成的微泡粒徑分布比較寬，聲學特性不穩(wěn)定，微泡中均含有一定數 ,量大于10微米的微泡，這些大的微泡可能會造成局部血管的堵塞或者破裂，使 得超聲造影劑的使用潛存一定的風險性；(3)形成微泡的外殼厚度不均勻；(4) 機械振蕩方法來產生足夠的力把氣體從周圍環(huán)境《1入到液體溶液中形成氣泡， 振蕩速度很大程度上決定形成微泡的數量和大小，如國內臨床批準使用的造影 劑SonoVue,使用手搖的方式制備，重復性不夠好。
因此，現(xiàn)有技術存在缺陷，需要改進。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種實用的大規(guī)模微流控流動聚焦裝 置，以及粒徑均一、可控制、單分散的聲學性質穩(wěn)定的超聲造影劑制備方法， 以制備粒徑大小可控并且呈單分散性的超聲造影劑。在此基礎上，提供一種集 成芯片、采用該集成芯片的裝置和采用該裝置制備^:米級分散體的方法。
本發(fā)明的技術方案如下
集成芯片的一種技術方案是，以兩層相鄰結構為一組結構，所述集成芯片 包括至少一組結構；在一組結構中，第一層結構設置M級梯度，第二層結構設 置N級梯度；其中，M、 N是自然數，M小于N;各級梯度中，第一級梯度設 置Hl個通道1,第二級梯度從每個通道1中引出H2個分支，形成Hl x H2個 通道2，以此類推，第N級梯度從每個通道(N-1)中引出HN個分支，形成H1 xH2……xHN個通道N;
在一組結構中，對于第一層結構的任一特定通道M,均對應于第二層結構 從一通道M所引出的在第N級梯度形成H(M+1) x H(M+2)...... x H(N - 1) x HN
數量的特定通道N;
其中，各特定通道N的出口，等距分布在一預設置半徑圓形的圓周；對于 該特定通道M,其輸出方向垂直于該圓形，其出口與該圓形的垂線通過該圓形 的圓心，該特定通道M的出口與該圓心距離一特定長度；各特定通道N的輸出 方向與所述垂線的夾角為相同銳角；沿該特定通道M的輸出方向，在該圓形遠離該特定通道M的一側，設置一收集通道；所述集成芯片還包括至少一與各收 集通道的輸出端相連接的收集槽，用于收集和導出產物。 集成芯片的又一種技術方案是，M=N - 1。
集成芯片的又一種技術方案是，各特定通道N的輸出方向通過該圓形圓心。 集成芯片的又一種技術方案是，通道M和通道N的橫截面為矩形；所述矩 形高度為20拜至30pm、寬度分別為30|im至50pm、 50(im至100pm,或者， 分別為50,至100|xm、 30jim至50拜。
集成芯片的又一種技術方案是，所述收集通道的結構至少包括以下結構其 中之一外向放大的錐體、球體、半球體或錐臺體，其輸入端的管徑為7nm至 25拜，高度為20,至30,;或者，圓柱體或長方體，其沿對應的特定通道M 輸出方向的截面積略小于該特定通道M沿該方向的截面積，高度為20pm至 30拜。
集成芯片的又一種技術方案是，其基質為表面親水性基質。
集成芯片的又一種技術方案是，其基質為硅、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚 曱基丙烯酸曱酯或聚,灰酯。
集成芯片的又一種技術方案是，第一層結構與第二層結構的組合，為氣體 通道結構與液體通道結構的組合。
裝置的一種技術方案是，其包括第一物質輸入單元、第二物質輸入單元、 至少一集成芯片形成的集成芯片陣列、貯存單元；其中，集成芯片為上述任一 關于集成芯片的技術方案，所對應的集成芯片；
各集成芯片的收集槽，分別與所述貯存單元相連接，用于收集和導出產物； 所述第一物質輸入單元分別與各集成芯片的一層結構的各通道1相連接，用于 輸入第一物質；所述第二物質輸入單元分別從各集成芯片的另一層結構的各通 道l相連接，用于輸入第二物質。
裝置的又一種技術方案是，所述第一物質輸入單元與所述第二物質輸入單 元的組合，為氣體輸入單元與液體輸入單元的組合；或者，所述第一物質輸入 單元與所述第二物質輸入單元均為液體輸入單元。
裝置的又一種技術方案是，所述氣體輸入單元包括順序連接的壓力儲氣罐、 減壓閥、第一傳輸管、微流量計、調壓閥和第二傳輸管，所述第二傳輸管分別 與各集成芯片的一層結構的各通道1相連接；所述液體輸入單元包括順序連接的儲液器、第三傳輸管、數字控制式注射泵和第四傳輸管，所述第四傳輸管分 別與各集成芯片的另一層結構的各通道1相連接。
制備微米級分散體的方法的一種技術方案是，應用于一包括集成芯片陣列
的裝置中，所述集成芯片陣列由集成芯片組成，其中，集成芯片為上述任一關
于集成芯片的技術方案，所對應的集成芯片；裝置為上述任一關于裝置的技術 方案，所對應的裝置；
所述方法包括以下步驟Al、按第一預設置條件，向各集成芯片的一層結 構的各通道1輸入第一物質；按第二預設置條件，向各集成芯片的另一層結構 的各通道l輸入第二物質；A2、調節(jié)第一物質和/或第二物質的輸入條件，使各 個第一層結構的各通道M輸出的物質以同軸流動形式，由對應的各特定通道N 的物質按軸向進行包裹，分別形成待收集產物流，其軸向與所述垂線重合；A3、 從各收集通道的輸出端收集和導出產物。
制備微米級分散體的方法的另一種技術方案是，所述第一物質與所述第二 物質的組合，為氣體與液體的組合；所述氣體至少包括氮氣、氟碳類氣體、氟 硫類氣體其中之一；所述液體至少包括磷脂類液體、表面活性劑類液體、上述 液體的改性液其中之一。
制備微米級*體的方法的另一種技術方案是，步驟A1中，向各集成芯片 的第一層結構的各通道1輸入第一液體，向各集成芯片的第二層結構的各通道1 輸入氣體或第二液體；步驟A2中，使各個第一層結構的各通道M輸出的第一 液體以同軸流動形式，由氣體或第二液體按軸向包裹所述第一液體，分別形成 待收集微液滴流。
制備微米級分散體的方法的另一種技術方案是，步驟A1中，向各集成芯片 的一層結構的各通道l輸入氣體，壓力低于10psi,向各集成芯片的另一層結構 的各通道1輸入液體，流速低于3pL/s;步驟A2中，調節(jié)氣體和/或液體的輸入 條件。
制備微米級分散體的方法的另一種技術方案是，步驟A1中，輸入氣體的壓 力低于5psi,輸入液體的流速低于1.5^L/s。
制備微米級分散體的方法的另一種技術方案是，步驟A1中，所述液體預先 加入特異性配體；或者，步驟A3之后，向所述產物加入特異性配體。
制備微米級分散體的方法的另一種技術方案是，步驟A1中，向各集成芯片的第一層結構的各通道1輸入氣體，向各集成芯片的第二層結構的各通道1輸
入液體；步驟A2中，調節(jié)氣體和/或液體的輸入條件，使各個第一層結構的各 通道M輸出的氣體以同軸流動形式，按軸向包裹液體，分別形成待收集微球流。
制備微米級分散體的方法的另一種技術方案是，步驟A2中，各個第一層結 構的各通道M輸出的氣體，分別在兩側高速流動的液體聚焦作用下形成中軸線 位于所述垂線位置的穩(wěn)定倒錐體，各倒錐體的尖端分別與各收集通道位置相對。
采用上述方案，本發(fā)明提供了一種集成芯片、采用該集成芯片的裝置和采 用該裝置制備微米級分散體的方法。在此基礎上，本發(fā)明提供了一種實用的大 規(guī)模微流控流動聚焦裝置，以及粒徑均一、可控制、單分散的聲學性質穩(wěn)定的 超聲造影劑制備方法，以制備粒徑大小可控并且呈單分散性的超聲造影劑；本 超聲造影劑制備簡便、效果好且安全，制備的微泡外殼厚度均勻，具有很高的 應用價值。
最顯著的優(yōu)點是制作的超聲造影劑微泡具有高度單分散性和粒徑可控性， 滿足超聲造影成像技術的要求。微泡粒徑的多^性指數<2°/。，粒徑隨著氣體壓 力的增加而變大，隨著液體流速的增加而減小，控制非常靈活；同時，采用多 個收集通道所形成的微噴嘴陣列大大提高了微泡的制備效率；生產裝置具有重 復使用性，降低了生產成本。
并且，本發(fā)明的裝置和方法可用于制備多種類型的微米級分散體，包括超 聲造影劑微泡，以及微液滴或其他微型混和物。常規(guī)的超聲造影劑可直接用該 裝置制備，如脂類、白蛋白類、多聚體類、表面活性劑類等；通過加入特異性 配體，還可以制備靶向超聲造影劑，有些殼材，如蛋白分子，在高溫和超聲條 件下失活，所以本發(fā)明方法解決了以往聲振法所不能的解決的技術問題。該發(fā) 明裝置對這兩種方法都適用，特別是當采用后一種選擇時更具有優(yōu)勢，其優(yōu)點 一是減少了制備環(huán)節(jié)，二是減少了制備環(huán)節(jié)微泡的破壞。而且，本發(fā)明裝置在 造影劑制備過程中產熱少，因此尤其適合用于制備兼藥物或基因靶向載體的超 聲造影劑。


圖1為本發(fā)明實施例的超聲造影劑制備裝置的示意圖2是本發(fā)明實施例的微流控大規(guī)模集成芯片的底層通道結構示意圖；圖3是本發(fā)明實施例的微流控大規(guī)模集成芯片的頂層通道結構示意圖4是圖2虛線框所示的噴嘴結構放大示意圖5是本發(fā)明實施例的微泡形成示意圖6是本發(fā)明另 一實施例的微流控大規(guī)模集成芯片的示意圖7是圖6虛線框所示結構的放大圖8是本發(fā)明實驗一生成的微泡照片；
圖9是本發(fā)明實施例裝置的另一種噴嘴結構示意圖IO是本發(fā)明實施例的連通腔中，各特定通道N的出口所在平面的示意圖;
圖11是圖IO所示的縱向平面的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例進行詳細說明。
超聲造影劑微泡的粒徑大小及其分布是超聲造影劑的重要指標，然而，目 前的超聲造影劑制作方法如聲振法、機械振蕩法產生的微泡粒徑分布范圍較寬， 且主要通過手搖或者振蕩的方式形成，聲學性質不穩(wěn)定。因此，提出一種大規(guī) 模微流控超聲造影劑的制備方法及裝置，結合目前較成熟的微納米加工技術制 作微流控大規(guī)模集成芯片，利用流動聚焦原理，制備出粒徑大小可控制且高度 單g性的微泡，微泡外殼厚度均勻，不僅可以獲得穩(wěn)定的聲學性質，也可以 減少不同大小微泡之間的融合成大微泡的可能，具有更高的有效性和安全性， 操作具有較好的重復性和可控性。
因此，本發(fā)明提出一種采用了微流控技術的集成芯片，通過微流控方式， 可大規(guī)模地制備微米級分散體，包括超聲造影劑或其他微型混和物。
集成芯片的基質為表面親水性基質，所述表面親水性基質包括親水性基質、 以及表面進行過親水性處理的疏水性基質；需要說明的是，通道的材料不一定 要有親水性，但是，疏水性材料的效果沒有親水性材料的效果好，對于疏水性 的材料，可將其表面處理為親水性，也能獲得類似于親水性材料的效果；表面 為親水性的基質，可以很順暢地產生微泡。
一個例子是，其基質為硅、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚曱基丙烯酸曱酯或 聚碳酯。其中，工藝上可滿足結構要求、不易與通道內的氣體、液體發(fā)生反應 的材料均可作為基質，本發(fā)明對此不作任何額外限制；例如，聚二曱基硅氧烷具有良好的絕緣性，能承受高電壓；熱穩(wěn)定性高，適合加工各種反應芯片；具 有優(yōu)良的光學特性，可應用于多種光學檢測系統(tǒng)；此外，它還可以和硅、氮化 硅、氧化硅、玻璃等許多材料形成很好的密封，其還具有高疏水性以及對生物 大分子較強的表面吸附特性，因此已廣泛應用于微流控芯片研究領域。
以兩層相鄰結構為一組結構，所述集成芯片包括至少一組結構；即所述集 成芯片可以包括兩層結構，或者包括四層結構、六層結構、八層結構甚至更多。 例如，所述集成芯片僅設置一組結構。即，所述集成芯片為偶數層結構，進行 上下堆疊或傾斜堆疊而形成，各層結構的具體特征如下所述所述集成芯片任 一端的邊緣層結構，與該邊緣層結構相鄰的層結構，組成了一組結構；所述集 成芯片可以有一組結構，也可以有多組結構。集成芯片也可以平行排列而形成， 即一組結構或多組上下堆疊的多層結構平行排列。
在一組結構中，具有兩層相鄰的結構，其中，第一層結構設置M級梯度， 第二層結構設置N級梯度；其中，M、 N是自然數，M小于N;各級梯度中， 第一級梯度設置Hl個通道1,第二級梯度從每個通道1中引出H2個分支，形 成Hl x H2個通道2,以此類推，第N級梯度從每個通道(N - l)中引出HN個分 支，形成HlxH2...... xHN個通道N。優(yōu)選的例子是，每級分支相對于前一級
分叉的分支要均勻分布，主要是為了保證最后各通道出來的同樣的液體的流速 一致，或同樣的氣體的流速一致；即，第N級梯度從每個通道(N-l)中引出HN 個分支，某一通道(N-l)所引出的HN個分支，相對于該通道均勻分布。
其中，第一層結構的各通道l，用于輸入第一種物質；第二層結構的各通道 1，用于輸入第二種物質。第一種物質和第二種物質，可以為不同的氣體或液體， 也可以為兩種不同的液體，還可以是，第一種物質為氣體，第二種物質為液體， 也可以是，第一種物質為液體，第二種物質為氣體。例如，第一層結構作為氣 體通道，第二層結構作為液體通道；或者，第一層結構作為液體通道，第二層 結構作為氣體通道；或者，第一層結構作為第一種液體通道，第二層結構作為 第二種液體通道。
例如，第一層結構作為氣體通道，第二層結構作為液體通道；此時，第一 層結構的Hl個通道1分別連接氣體輸入口 ，第二層結構的Hl個通道1分別連 接液體輸入口 ；第一層結構的Hl x H2...... x HM個通道M分別連接氣體輸出
口，第二層結構的HlxH2……xHN個通道N連接液體輸出口?；蛘?，第一層結構作為液體通道，第二層結構作為氣體通道，其余類似，不做贅述。
一個優(yōu)選的例子是，M= N - 1 ，即M比N小1，第一層結構的梯度數比第 二層結構的梯度^i:少一層。例如，N為8， M為7。
或者，M比N小2、 3、 4.......等等，例如，N為8， M為4;又如，N為
6， M為3;又如，N為9， M為7;又如，N為21, M為12。本發(fā)明對此不做 額外限制，只需能夠實現(xiàn)第一層結構與第二層結構梯度數的差異即可。
其中，Hl、 H2、 H3……畫、H(M+1)、 H(M+2)……H(N-2)、 H(N- 1)、 HN 可以全部相同，也可以部分相同，還可以均不相同。例如，Hl、 H2、 H3……HM、 H(M+1)、 H(M+2)……HN均為2，并且，M=N-1，這樣通道N的數量是通道 M的2倍；這種情況下，由于H1為2，因此有兩個氣體入口和兩個液體入口； 或者，Hl為2, H2至HN均為3;或者，Hl為1， H2為2、 H3為3、 H4為4...… HN為N;或者，其均不相同，如H1為4， H2為1、 H3為6、 H4為5……HN 為2。本發(fā)明對此不做額外限制，只需能夠實現(xiàn)各級分支結構即可。
對于通道的形狀，各通道的橫截面優(yōu)選為矩形；其中，通道M橫截面與通 道N橫截面，可以為形狀相同或者不相同的矩形，例如，所述矩形的高度為20(im 至30pim，通道M橫截面的寬度為30拜至50pm，通道N橫截面的寬度為50^im 至100^im;或者，通道M橫截面的寬度為50^n至lOO^m,通道N橫截面的寬 度為30pm至50|iim;或者，通道M橫截面與通道N橫截面的寬度均為30拜至 50fjm。
一個例子是，通道為均一或不均一的長方體，但是截面一定是矩形，例如 通道為一個正四棱錐臺、 一個橫截面為相似矩形的四棱錐臺、或一個梯形臺。 一個優(yōu)選的例子是，各通道為長方體，通道的橫截面為矩形，其高度為20nm至 30(xm，寬度為30(im至lOOjmi。例如，該矩形的高度為25pm,寬度為40pm; 又如，該矩形的高度為28,，寬度為35^mi;又如，該矩形的高度為22^im,寬 度為45pm;又如，該矩形的高度為21pm,寬度為85pm;又如，該矩形的高度 為29pm，寬度為65^m;又如，該矩形的高度為29pm，寬度為75拜。
一個優(yōu)選的例子是，通道M橫截面與通道N橫截面，為高度相同的矩形。 也就是說，對于某一通道，垂直于其通道方向的截面，即該通道的通道截 面作為所述橫截面，為正方形或長方形，需要說明的是，通道截面還可以為三 角形、菱形、五邊形或其他形狀，本發(fā)明對此不做額外限制；對于各通道而言，只需其通道截面的面積，至少為600平方孩克米即可，例如，其通道截面的面積 為800、 900或1000平方微米。又如，各通道為圓柱體或其他形體；或者，各 通道還可以是彎折變向的方形體、圓形體或螺旋狀，例如呈L形、Y形等；此 時，通道的輸出方向為其最后一段未彎折通道的方向，例如，L形通道的輸出方 向為變向后具有出口的一段通道的方向。
在一組結構中，對于第一層結構的任一特定通道M,均對應于第二層結構 從一通道M所引出的HM個分支中的某一分支；該分支在第M+l級梯度形成 H(M+1)個分支……在第N級梯度形成H(M+1) x H(M+2)……xH(N-1) x HN數量的特定通道N;即對于第一層結構的任一通道M，在第二層結構中，與 該第一層結構通道M對應的第二層結構通道M在下一級梯度將引出H(M+1)個 分支，這些分支最終在第N級梯度形成H(M+1) x H(M+2)……xH(N-l) x HN個通道N,與該第一層結構通道M相對應。
其中，各特定通道N的出口等距分布在一預設置半徑圓形的圓周，即，這 些通道N的出口排列形成正多邊形，并位于正多邊形上的各個頂點；例如，這 些通道N的出口形成正三角形、正方形、正五邊形、正六邊形……正99邊形、 正100邊形、正101邊形等等；特殊的，當僅有兩個通道N時，出口位于該預 設置半徑圓形的某一直徑的兩端。其中，預設置半徑可根據實際情況而設置， 例如，根據不同的反應物、不同的反應條件，預設置該圓形半徑的大小。圓形 的半徑與通道的尺寸有關系，以第一層通道輸入氣體，第二層通道輸入液體為 例，氣體出口垂直于前述圓形時，液體出口均布在氣體出口的周邊即可。例如， 該圓形半徑為150|am至1500nm,更具體的例子是，該圓形半徑可為250|im、 500pm、 700|im、 1100(am、 1200pm、 1400,等等。優(yōu)選的是，該圓形半徑與通 道的寬度相對應，通道的寬度越大，則該圓形半徑越大。
需要說明的是，當尺度較小時，例如，以微米級進行量度時，通道的出口、 以及收集通道的輸入端，往往是一個面的概念；而本發(fā)明各實施例中，凡是涉 及到點與點之間的連線，應理解為出口面的中心點，或者，輸入端的面的中心 點；例如， 一個三角形或矩形的幾何中心點；或者，大致為出口面的中心點， 或輸入端的面的中心點。這樣，出口排列形成正多邊形，才能獲得更好的精度。 并且，出口之間的連線、出口與收集通道的輸入端之間的連線才能更精確，以 獲得更好的效果。一個例子如圖IO所示，有六個特定通道N，其出口等距分布在一預設置半徑圓形的圓周，六個出口形成一正六邊形，位于一橫向平面中，該橫向平面位于一連通腔中，液體分別從各個特定通道N的出口流向該預設置半徑圓形的圓心，即，液體出口到圓心的距離相同，并且排列為正六邊形；并且，正六邊形中，任意兩個相對的特定通道N,位于一個縱向平面內；例如任意兩個相對的特定通道N,與該預設置半徑圓形的圓心形成對稱或大致對稱關系。
上例中，任一縱向平面如圖11所示，兩個相對的特定通道N，對于該特定通道M的出口與該圓形的垂線，形成軸對稱關系；第一層氣體從出口輸出之后，繼續(xù)再流動一段距離，即一段特定長度，該特定長度主要是與第二層液體通道矩形橫截面的高度或寬度有關系，例如，該特定長度為液體通道橫截面的寬度或高度的25°/。至75%，如通道橫截面的高度的30%、 40°/。、 50°/。、 60%、 70°/0等等，優(yōu)選的例子是，當只有兩個液體通道和一個氣體通道時，所有出口全部在一個平面內，如圖4和圖5所示，氣體通道出口與圓心的距離就是液體通道橫截面的寬度的一半；當有多個液體通道，氣體通道出口垂直于液體通道出口所在平面時，氣體通道出口與圓心的距離就是液體通道橫截面的高度的一半。之后氣體與液體混合，在進入所述收集通道的輸入端之前，形成待收集產物流，通過收集通道進行收集；例如，形成倒錐體或其他形狀的待收集產物流，通過收集通道進行收集。
上面這兩個例子，描述的是偶數個特定通道N，任一縱向平面具有形成軸對稱關系或大致對稱的一對特定通道N;需要說明的是，如果是奇數個特定通道N，雖然在縱向平面上不能形成一對特定通道N，但是，同樣可實現(xiàn)本發(fā)明的效果。例如，五個特定通道N,其出口等距分布在一預設置半徑圓形的圓周，五個出口形成一正五邊形，位于一橫向平面中，該橫向平面位于一連通腔中，
液體分別從各個特定通道N的出口流向該預設置半徑圓形的圓心。
該特定通道M的輸出方向垂直于該圓形，該特定通道M的出口與該圓形的垂線通過其圓心，即這個通道M的輸出方向與圓形所在的平面相垂直，這個通道M的出口在該平面的投影位于該圓形的圓心。各特定通道N的輸出方向與所述垂線的夾角相同，并且，這些夾角為銳角；例如，各特定通道N的輸出方向通過該圓形圓心，各特定通道N根據其數量，位于該圓形的各等分線上，假設有3個特定通道N，則相鄰兩個特定通道N之間的夾角為120度；或者，各特定通道N可組成一個直圓錐體，該直圓錐體以該特定通道M的輸出方向為旋轉
軸，各特定通道N與該旋轉軸的夾角相同，并且，這些夾角為銳角；例如，夾 角均為30度、45度、60度、75度或80度等等。例如，由于各特定通道N的 出口等距分布在一預設置半徑圓形的圓周，當各特定通道N的數量為偶數時， 對稱于該旋轉軸的兩條特定通道N的出口 ，所對應的兩條特定通道N形成一包 括該旋轉軸的平面，并且，兩條特定通道N在其輸出方向上，可形成一等腰梯 形。例如，各特定通道N形成一種對稱的形狀；例如為一個半截的六棱錐體， 即一個六棱錐臺，其底面為正六邊形，六棱可組成三個等腰梯形。
這樣，在一組結構中，通過調節(jié)一層結構的輸入條件與另一層結構的輸入 條件，使各個第一層結構的各通道M輸出的物質以同軸流動形式，由對應的各 特定通道N的物質按軸向包裹某一通道M輸出的物質，即以某一通道M輸出 的物質的流向為軸，通過輸出對應的各特定通道N的物質，^v而形成一層層的 覆以對應的各特定通道N輸出的物質；或者說，各特定通道N輸出的物質沿軸 向，以同心圓形式覆蓋在通道M輸出的物質上；分別形成待收集產物流，例如， 待收集產物流形成一倒錐體；其軸向與所述旋轉軸重合。即某個第一層結構的 某一通道M輸出的物質， 一直沿著其輸出方向流動，或者以螺旋形繞著其輸出 方向流動；以其輸出方向為軸向，由其對應的各特定通道N的物質按軸向包裹 之。
各特定通道N的出口與該特定通道M的出口連通設置；例如，各特定通道 N的出口通過一連通腔與該特定通道M的出口連通設置；本發(fā)明各例中，對連 通腔不作任何限制，只需能夠實現(xiàn)形成一待收集產物流并通過收集槽輸出即可， 也可以不設置該連通腔。
沿該特定通道M的輸出方向，在該圓形遠離該特定通道M的一側，對應設 置一收集通道；用于在所述收集通道的輸入端之前，形成待收集產物流，在收 集通道的輸入端收集產物，通過收集通道輸出到收集槽；即設置了與通道M的 數量相同的收集通道，對于各個特定通道M，分別沿其輸出方向設置一收集通 道，特定通道M與其收集通道的輸出方向相同，同在一直線上。
一個例子是，所述收集通道的結構包括以下結構的一種或多種外向放大 的錐體、球體、半球體或錐臺體，錐臺體即一個錐體切去尖端的剩余臺體部分， 其輸入端的管徑為7)im至25pm,高度為20nm至30jam;或者，圓柱體或長方體，如圖9所示，其沿對應的特定通道M輸出方向的通道截面的面積略小于該 特定通道M沿該方向的通道截面的面積，高度為20pirn至30|iim，此時，需要控 制圓柱體或長方體通道的長度，使得微泡正好在收集槽中產生，以具備速度梯 度，從而產生剪切力。例如，收集通道的結構為外向放大的錐體，或者，收集 通道的結構為外向放大的錐臺體與圓柱體的組合。
所述集成芯片還包括至少一與各收集通道的輸出端相連接的收集槽，用于 收集和導出產物。
并且，利用現(xiàn)有的微納米級加工技術，經過甩膠、曝光、顯影、澆注、剝 離、粘合等步驟，可以制作出基于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane， PDMS)、聚曱基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酯(PC)的微流控大規(guī)模集成芯 片。
例如，Hl為1， H2至HN均為2,如圖11所示，所述特定通道M的出口 與其對應收集通道輸入端的連線，垂直于兩個特定通道N出口的連線，即每個 特定通道M對應于兩個特定通道N,兩個特定通道N各自的出口，兩者連成線 段的中線為特定通道M的出口與對應的收集通道的輸入端的連線；并且，通常 情況下，這兩個特定通道N關于上述中線對稱設置；也就是i兌，這是一個特例， 此時，兩個出口不能形成一個確定的圓形，仍是等距分布在一預設置半徑圓形 的圓周，因此，兩個特定通道N各自的出口，兩者連成線段的中垂線為特定通 道M的出口與對應的收集通道的輸入端的連線。由于兩個特定通道N出口所構 成的圓形不是唯一的，因此前述連線亦是屬于特定通道M的出口與所述圓形圓 心的垂線之一。
這樣，當N為9， M為8時，則第一層結構最終形成2的(M-l)次方，即2 的7次方，即128個通道出口，第二層結構最終形成2的(N-1)次方，即2的8 次方，即256個通道出口；也就是說，其具有128個通道M,每個通道M對應 著兩個通道N，共有128個輸出端；例如通道M1對應著通道Nll和通道N12， 通道Nll和通道N12的輸出方向相對，并位于同一直線上；通道N11的出口到 通道M1的出口的距離、與通道N12的出口到通道M1的出口的距離相同。
在上述實例中，裝置的典型特征是集成了 128個擴展形噴嘴腔體，例如， 如圖3所示，第一層結構輸入氣體，如圖2所示，第二層結構輸入液體；噴嘴 結構如圖4所示，每一氣體輸出通道口對應著兩個相對的液體輸出通道口；則氣體在噴嘴的最窄點，即噴嘴口，同時也是收集通道的最窄點，具有最大的剪 切力，如圖5所示，隨后在擴展形噴嘴處，產生一個速度遞減梯度，利于微泡
的聚焦及脫落；因此，利用噴嘴陣列可提高微泡的生產效率。
更具體地說，本發(fā)明部分例子中，采用了流動聚焦原理(flow-focusing)產 生微泡，氣體在兩側液體的包被下處于同軸流動中心位置，即中軸線，氣體由 高速運動的液體聚焦形成穩(wěn)定的錐體，并且與噴嘴口位置對齊，由于噴嘴口處 最窄，具有最大的剪切力，如圖5所示，隨后的擴展形噴嘴產生一個速度梯度， 由錐頂端射出的微射流在噴嘴口處脫落，形成均一尺寸的微泡。
釆用上面的各個實施例，就可以將微流控大規(guī)模集成芯片用于超聲造影劑 的制備中，并且，上述各實施例所述集成芯片，還可以應用在制備其他微型的 混和物中，例如，微液滴等等。
并且，采用上述任一實施例所述集成芯片，本發(fā)明還提供了一種裝置。該 裝置包括第一物質輸入單元、第二物質輸入單元、貯存單元和至少一如上述任 一實施例所述集成芯片，這些集成芯片形成至少一個集成芯片陣列。各集成芯 片的收集槽，分別與所述貯存單元相連接，用于收集和導出產物；所述第一物 質輸入單元分別與各集成芯片的一層結構的各通道1相連接，用于輸入第一物 質；所述第二物質輸入單元分別從各集成芯片的另一層結構的各通道1相連接， 用于輸入第二物質。該裝置可用于制備微米級^L體，包括超聲造影劑或其他 微型混和物。
其中，所述第一物質輸入單元與所述第二物質輸入單元的組合，為氣體輸 入單元與液體輸入單元的組合；即所述第一物質輸入單元為氣體輸入單元，所 述第二物質輸入單元為液體輸入單元，或者，所述笫一物質輸入單元為液體輸
入單元，所述第二物質輸入單元為氣體輸入單元?；蛘撸龅谝晃镔|輸入單 元與所述第二物質輸入單元均為液體輸入單元。
例如，該裝置包括氣體輸入單元、液體輸入單元、貯存單元和至少一如上 述任一實施例所述集成芯片，這些集成芯片形成至少一個集成芯片陣列?；蛘?說，該裝置包括用于控制氣體、液體的流動參數的儀表，以及用于氣體及液 體通過微噴嘴陣列的芯片，所述微噴嘴具有基本上一致的直徑。
例如，整個超聲造影劑制備裝置的框圖如圖1所示，氣體源輸出氣體，經 流量計或壓力計控制流量，輸出到大規(guī)模微流控芯片中；液體源輸出液體，經
19數控注射泵控制流量，輸出到大規(guī)模微流控芯片中；反應生成產品，進行產品 收集，例如通過產品收集設備進行收集。例如，通過各集成芯片的收集槽，收 集和導出產物，這些收集槽分別與所述貯存單元相連接，將最終的產物導入到 所述貯存單元中；這樣可以有效地收集最終的產物。
一個例子是，所述氣體輸入單元分別與各集成芯片的一層結構的各通道1 相連接，用于輸入氣體；所述液體輸入單元分別從各集成芯片的另一層結構的 各通道1相連4矣，用于輸入液體。
例如，所述氣體輸入單元分別與各集成芯片的第一層結構的各通道1相連 接，所述液體輸入單元分別從各集成芯片的第二層結構的各通道1相連接；或 者，所述氣體輸入單元分別與各集成芯片的第二層結構的各通道1相連接，所 述液體輸入單元分別從各集成芯片的第一層結構的各通道1相連接。
一個例子是，所述氣體輸入單元包括順序連接的壓力儲氣罐、減壓閥、第 一傳輸管、微流量計、調壓閥和第二傳輸管，所述第二傳輸管分別與各集成芯 片的一層結構的各通道1相連接。
又一個例子是，所述液體輸入單元包括順序連接的儲液器、第三傳輸管、 數字控制式注射泵和第四傳輸管，所述第四傳輸管分別與各集成芯片的另一層 結構的各通道l相連接。
一個優(yōu)選的例子是，所述裝置的各集成芯片中，各通道截面為矩形，其高 度為20^mi至30pm;通道M^黃截面的寬度為30|im至50|xm、通道N^黃截面的 寬度為50^im至lOOpm,或者，通道M橫截面的寬度為50pm至100nm、通道 N橫截面的寬度為3(Him至50pm;其中，所述收集通道的結構至少包括以下結 構其中之一外向放大的錐體、球體、半球體或錐臺體，其輸入端的管徑為7pm 至25pm，高度為20pim至30pm;或者，圓柱體或長方體，其沿對應的特定通 道M輸出方向的截面積略小于該特定通道M沿該方向的截面積，高度為20(am 至30pm。所述集成芯片的基質為硅、玻璃、聚二曱基硅氧烷、聚曱基丙烯酸甲 酯或聚碳酯。第一層結構與第二層結構的組合，為氣體通道結構與液體通道結 構的組合。Hl為l， H2至HN均為2; N為8， M為7,第一層結構和第二層 結構均在收集通道兩側對稱設有兩個初始通道，即2個氣體入口和2個液體入 口，則第一層結構最終形成2個2的(M-l)次方，即128個通道出口，第二層 結構最終形成2個2的(N-1)次方，即256個通道出口；該實例中，裝置的典型特征是集成了 128個擴展形噴嘴腔體，氣體在噴嘴的最窄點，即收集通道的最
窄點，具有最大的剪切力，隨后的擴展形噴嘴產生一個速度遞減梯度，利于微
泡的聚焦及脫落；噴嘴陣列可提高4敬泡的生產效率。
更具體地說，如圖l所示，氣體由壓力罐經減壓閥輸送到芯片的氣體入口， 由微流量計、調壓閥監(jiān)控氣體的流動，連續(xù)性的液體由數字控制式注射泵以恒 定的流速泵入液體入口 ，經過微流控大規(guī)模集成芯片產生的微泡由特殊的貯存 瓶存儲，該貯存瓶為現(xiàn)有技術。
其中，微流控大規(guī)模集成芯片是利用微納米加工技術制作而成，例如，該 芯片具有上下兩層結構。
更具體的一個例子是，該芯片底層結構如圖2所示。通道由兩個對稱設置 液體入口開始逐級擴展，最終經過8級梯度，共7級擴展形成256個分支，即N 為8。每兩個屬于一個初始入口的分支作為微噴嘴的液體入口，這樣就形成128 個微噴嘴。圖2中點劃線指示的位置a'是一個微噴嘴的氣體入口 ，共128個氣體 入口，產生的微泡經收集槽收集存儲。
該芯片頂層通道結構如圖3所示，與底層結構類似，通道由兩個對稱設置 氣體入口開始逐級擴展，有7個梯度，經6級擴展，即M為7，單個初始氣體 入口最終形成64個分支。因此，經過擴展總共形成了 128個分支，與底層相對 應的氣128個氣體入口相通，如a與a'相通。
其中，可以將底層與頂層的結構互換，如圖6所示，這是本發(fā)明中微流控 大規(guī)模集成芯片的替換形式，頂層為液體通道結構，底層主要為氣體通道，底 層的兩個初始入口經6級擴展成128個分支，作為微噴嘴的氣體入口 。圖7為 圖6中虛線框所示部分一個微噴嘴的放大圖，與圖4的主要區(qū)別是兩個液體入 口與頂層液體通道相通。
如圖4所示，是圖2虛線所示部分的放大圖，為該集成芯片陣列中一個微 噴嘴的示意圖，微噴嘴是,敖泡形成的基本單元，其中，箭頭代表氣體、液體的 流動方向， 一個氣體入口與頂層氣體通道相通，在大箭頭形狀的收集通道的最 窄處剪切力最大。收集通道入口的口徑在7jim-25|im范圍內，通道高度為25ptm， 優(yōu)選的是與同一層結構內其他通道的高度一致，氣體入口寬度為30pm-50nm， 液體入口寬度為5(Vm-100pm,氣體在兩側高速流動的液體聚焦作用下形成位于 中軸線位置的穩(wěn)定錐形，如圖5所示，并且與噴嘴口位置對齊，由于噴嘴口處最窄，具有最大的剪切力，隨后的擴展形噴嘴產生一個速度梯度，由錐頂端射
出的微射流在噴嘴口處脫落，形成均一尺寸的微泡，微泡形成示意圖如圖5所 示，可以形象地看到流動聚焦形成的錐形及微泡。
其中，如圖9所示，本裝置的微噴嘴形狀可以由形成速度梯度的其它幾何 形狀代替，如矩形結構，只需能夠產生一個速度梯度，讓錐頂端射出的微射流 在噴嘴口處脫落即可。
需要說明的是，各圖中對于部分尺寸進行放大，這是出于圖解說明的目的， 而沒有按照嚴格的比例進行繪制。這些圖示的不嚴格繪制，對本發(fā)明各技術方 案和各實施例均不構成任何額外限制。
采用上面的各個實施例，就可以大規(guī)模集成擴展形微噴嘴陣列，通過在不 同的通道入口輸入氣體和液體，可以實現(xiàn)并且有利于微泡的大規(guī)模生產。釆用 各種不同的氣體和液體，從集成芯片的各組結構的第一層結構各通道1中輸入 氣體，本發(fā)明的裝置可用于制備多種類型的超聲造影劑微泡。
交換氣體、液體入口，即從集成芯片的各組結構的第一層結構各通道1中 輸入液體，可用于生成大量微液滴；或者，分別通入兩種不相容的液體，會生 成底層液體包裹上層液體的微液滴，非常適用于食品行業(yè)和化妝品行業(yè)。
其中，采用多個收集通道所形成的微噴嘴陣列，微噴嘴的數量可以增減， 對于一組結構，最少有一個噴嘴，第一層結構設置N級梯度時，通道的擴展級 數為N-1,即比梯度數N少1。在只有一個初始入口的情況下，最后分支是2N -1個，噴嘴的個數一般是2N-2個。在有兩個對稱設置的初始入口的情況下， 噴嘴的個數一般為2N-l個。例如，N為8時，有8級梯度，擴展了7級，每 級擴展一倍，第一級梯度設置l個通道l，第八級梯度設置128個通道8，在只 有一個初始入口的情況下，對應有64個噴嘴；在有兩個對稱設置的初始入口的 情況下，對應有128個噴嘴。在易于控制流體流速、氣體壓力的前提下，噴嘴 個數越多越好。
并且，還提供了一種制備微米級分散體的方法，這些微米級分散體之間不 相溶；該方法應用于一包括集成芯片陣列的裝置中，所述集成芯片陣列由至少 一如上述任一實施例所述集成芯片組成；所述裝置為上述任一實施例所述裝置。 所述方法包括以下步驟。
Al、按第一預設置條件，向各集成芯片的一層結構的各通道1輸入第一物質；按第二預設置條件，向各集成芯片的另一層結構的各通道l輸入第二物質。 其中，第一物質和第二物質可以為不同的液體；或者，第一物質可以為液體， 第二物質可以為氣體；或者，第一物質可以為氣體，第二物質可以為液體。
一個例子是，步驟A1中，向各集成芯片的一層結構的各通道l輸入氣體， 壓力低于10psi，壓力大于0即可，向各集成芯片的另一層結構的各通道l輸入 液體，流速低于3jiL/s，流速大于0即可；例如，輸入氣體的壓力低于5psi，輸 入液體的流速低于1.5|aL/s;又如，輸入氣體的壓力低于8psi，輸入液體的流速 低于2.5pL/s;又如，輸入氣體的壓力低于7.5psi，輸入液體的流速低于2.0pL/s; 又如，輸入氣體的壓力低于4psi,輸入液體的流速低于2.8(xL/s。這樣，就可以 制備均一的微泡，這些微泡可應用于超聲造影劑中。
具體應用中，所述氣體至少包括氮氣、氟碳類氣體、氟硫類氣體其中之一； 所述液體至少包括磷脂類液體、表面活性劑類液體、上述液體的改性液其中之
為了保證微泡在體內具有較長的存活時間，該裝置可使用的氣體材料主要 是在血漿中有低溶解度的氟碳、氟硫類氣體，如C3F8、 C4F10、 SF6等，也可 以是這些氣體成分之間的組合或者它們與氮氣的組合如氮氣和C4F10、氮氣和 C3F8的組合。
而制備液泡，即微泡，其殼材來自液體，這些液體主要包括磷脂類，如DPPC、 DPPA、 DPPE、 DSPC、 DSPE、 DSPA等；表面活性劑類，如Span20、 Span60、 Span 80等，Tween20、 Tween 60、 Tween80等，以及磷脂類的組合、表面活性 劑類的組合、或者磷脂類與表面活性劑類的組合；這些材料既能顯著降低氣液 界面的表面張力，又具有良好的生物相容性和血液相容性。
或者，制備液泡的殼材是在上述殼材的基礎上進行改性得到的具有特殊功 能的材料，包括DSPE-PEG2000、 DSPE-PEG5000、 DSPE-PEG(2000) Biotin、 DSPE-PEG(2000) Carboxylic Acid等等。磷脂的疏水性長鏈和親水性極性頭的分 子結構使其在水性環(huán)境中能夠自行調整其分子結構，疏水性鏈緊密排列在一起， 而親水性頭暴露于水相，最終形成嚢泡狀結構，這種結構能夠阻礙氣體擴散出 形成的微泡，親水性的外殼使其具有優(yōu)良的生物相容性。同時，不同的極性頭 可以使磷脂具有不同的荷電性，通過調整這些荷電磷脂的成分和比例，可以調 整磷脂微泡的穩(wěn)定性。含有PEG長鏈的磷脂，如DSPE-PEG2000，具有抵抗其
23在體內循環(huán)時被網狀內皮系統(tǒng)捕獲的能力，延長在體內的循環(huán)的時間。含有
Biotin配體的磷脂，如DSPE-PEG(2000)Biotin，具有識別抗體avidin能力，因此
具有靶向功能。這樣，通過不同的磷脂組分之間進行組合，并調整各組分的比 例，就可以得到不同功能和作用的微氣泡。
A2、調節(jié)第一物質和/或第二物質的輸入條件，使各個第一層結構的各通道 M輸出的物質以同軸流動形式，由對應的各特定通道N的物質按軸向包裹通道 M輸出的物質，分別形成待收集產物流，其軸向與所述垂線重合。
例如，步驟A2中，單獨調節(jié)不同氣體或不同液體的輸入條件，或者單獨調 節(jié)氣體或液體的輸入條件，或者同時調節(jié)氣體和液體的輸入條件，使各個第一 層結構的各通道M輸出的物質以同軸流動形式，由對應的各特定通道N的物質 按軸向進行包裹對應通道M輸出的物質，分別形成待收集產物流，其軸向與所 述垂線重合；例如，分別形成一倒錐體的待收集產物流，其軸向與所述垂線重 合。
A3、從各收集通道的輸出端收集和導出產物。
例如，向各集成芯片的第一層結構的各通道1輸入氣體，向各集成芯片的 第二層結構的各通道1輸入液體；這樣，可以得到一種通過氣體由兩側液體流
動聚焦在噴嘴處形成微泡的方法，形成高度單分散的微泡，適合于超聲造影成 像技術?；蛘?，向各集成芯片的第一層結構的各通道1輸入液體，向各集成芯 片的第二層結構的各通道1輸入氣體；這樣，可以得到一種通過液體由兩側氣 體流動聚焦在噴嘴處形成微液滴的方法。
同上所述， 一個優(yōu)選的例子是，所述集成芯片，Hl為1， H2至HN均為2， N為9， M為8。其具有128個通道M，每個通道M對應著兩個通道N，共有 128個輸出端；例如通道M1對應著通道Nll和通道N12，通道Nll和通道N12 的輸出方向相對，并位于同一直線上；通道Nll的出口到通道M1的出口的距 離、與通道N12的出口到通道M1的出口的距離相同。
另一個例子是，步驟A1中，向各集成芯片的第一層結構的各通道l輸入氣 體，向各集成芯片的第二層結構的各通道l輸入液體；步驟A2中，使各個第一 層結構的各通道M輸出的氣體以同軸流動形式，由各個第二層結構的對應某一 通道M的各通道N，所流出的液體按軸向包裹對應該通道M的氣體，分別形成 待收集微球流。其中，同軸流動形式已如前述。在上例的基礎之上，步驟A2中，各個第一層結構的各通道M輸出的氣體，分別在兩側高速流動的液體聚焦作用下形成中軸線位于所述垂線位置的穩(wěn)定倒錐體，各倒錐體的尖端分別與各收集通道位置相對。
又一個例子是，步驟A1中，向各集成芯片的第一層結構的各通道l輸入第一液體，向各集成芯片的第二層結構的各通道1輸入氣體或第二液體；步驟A2中，使各個第一層結構的各通道M輸出的第一液體以同軸流動形式，被氣體或第二液體按軸向包裹，分別形成待收集微液滴流；例如分別形成一倒錐體的待收集孩i液滴流。
在上述各例中，步驟A1中，所述液體可以預先加入特異性配體；或者，步驟A3之后，向所述產物加入特異性配體。這樣，可以根據需要，加入不同的特異性配體，從而制備出靶向超聲造影劑。
下面繼續(xù)對集成芯片、裝置和方法，尤其是制備超聲造影劑的方法，做出詳細說明。
在超聲造影成像技術中，微泡造影劑的尺寸影響它通過肺部微循環(huán)的能力及對超聲的反射率，直徑必須小于7^m才可以安全通過肺部微動脈而不引起堵塞，其中，超聲的散射強度、入射強度具有以下關系公式(1):
其中，/、 7。分別是超聲的散射強度、入射強度；n是散射粒子數；V是散射體積；k是波數；r是粒子半徑，即微泡半徑；^是壓縮項(、^分別是散射粒子的壓縮率和介質的壓縮率，公知技術)；^是密度項(&=(3A-3P )/(2A + Al)， A、 ^分別是散射粒子和介質的密度，公知技術)；
^是散射角；d是到散射粒子的距離。由公式(l)可以看出，微泡的散射率是微泡半徑六次方的函數，即，超聲造影劑微泡的散射強度與氣泡半徑六次方成正比，說明微泡越小，反射率越差，所以微泡的最佳直徑尺寸不能太小。因此，臨床應用要求微泡的最佳直徑尺寸在2pm至5)am之間。
由微流控聚焦系統(tǒng)產生的微泡直徑主要與氣體、液體的流動速率有關，表面張力的影響較小，可以忽略，如以下公式(2)所示其中，&、 Q分別是氣體、液體的流動速率；D是噴嘴口直徑；&/0<1。利用調壓閥調整氣體壓力，設置注射泵流速參數控制液體的流動速率，一般情況下氣體壓力P<5psi (Pounds per square inch, lpsi=6.895kPa),液體流速
Q<1.5pL/s,可以得到直徑《<5^"的微泡，微泡粒徑的多分散性指數<2%。
為了證實本發(fā)明裝置制備的微泡的粒徑及生產效率，采用上述一集成芯片
進行了以下實-驗，其在每一層結構為對稱兩個初始入口， Hl為l， H2至HN均
為2， N為8， M為7,第一層結構有128個M通道，第二層結構有256個N
通道；其集成了 128個擴展形噴嘴腔體，第一層結構通入氣體，在噴嘴的最窄
點輸出，如圖4、圖5所示。具體說明如下。
實驗一
氣體采用氮氣，液體采用如下配制PH-7.4的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)8ml，吐溫80 ( Tween80) lml配制成均勻的混合物，調節(jié)氣體壓力為1.8psi，液體流動速率2.0//^1,可獲得微泡直徑約為3.6nm,每分鐘大約可以產生7x 109個微泡。如圖8所示，是在奧林巴斯倒置顯微鏡下拍到的產生的微泡的圖片，可以看出微泡粒徑分布具有高度單分散性，粒徑分布比較均勻，外殼厚度員比較均勻。
實驗二在實-驗一的基礎上，液體流動速率不變，增加氣體壓力至4.5psi，獲得微泡直徑約為6|xm,從顯微鏡得到的結果來看，粒徑分布同樣比較均勻，比較實驗一與實驗二，可以得到改變氣體壓力可靈活控制微泡粒徑的大小；同理，當然也可改變液體流速，可達到相同的效果。
實驗三在實驗一的基礎上，氣體壓力不變，增加液體流速至2/^"_',獲得微泡直徑約為3pm，粒徑分布同樣比較均勻，比較實驗二與實驗三，可以得到可改變液體流速可靈活控制微泡粒徑的大小。
實驗四氣體采用全氟碳(PFC),液體采用如下方法配制脂質二棕櫚酸磷脂酰膽堿(DPPC)、 二棕櫚磷脂酸聚乙二醇(DPPA)、 5000化二棕櫚酸磷脂酰乙醇胺(DPPE-PEG5000)以81:8:10的摩爾比，溶解在氯仿(CHC13)中，在真空及氮氣條件下形成均勻的混合物，加入lmol。/。的熒光劑(Dil-C18)和4mg/ml的NaCl溶液到含有磷脂混合物的試管中，室溫下超聲處理20分鐘并混入10%濃度的丙三醇和l、 2丙二醇的混合物(GPW)，氣體壓力10psi,液體流動速率1,通過上述芯片可獲得微泡直徑5nm，每分鐘大約可以產生8 x 109個微泡。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點
最顯著的優(yōu)點是制作的超聲造影劑微泡具有高度單分散性和粒徑可控性， 滿足超聲造影成像技術的要求。微泡粒徑的多分散性指數<2%，粒徑隨著氣體壓 力的增加而變大，隨著液體流速的增加而減小，控制非常靈活。并且，通過釆
用微噴嘴陣列，大大提高了微泡的制備效率；同時，該裝置具有重復使用性， 降低了生產成本。
本發(fā)明的裝置可用于制備多種類型的超聲造影劑微泡，制備的微泡外殼厚 度均勻。
常規(guī)的超聲造影劑可直接用該裝置制備，如脂類、白蛋白類、多聚體類、 表面活性劑類等；如上所述，靶向超聲造影劑的制備，有兩種選擇， 一種是目 前最常用的在常規(guī)超聲造影劑制備完成后加入特異性配體，另行制備；另一 種是在造影劑制備完成前的制備液中預先加入特異性配體，在形成造影劑微泡 的同時特異性配體就會鑲嵌到微泡的殼上，有些殼材如蛋白分子在高溫和超聲 條件下失活，所以這種方法是以往聲振法所不能的。該發(fā)明裝置對這兩種方法 都適用，特別是當釆用后一種選擇時更具有優(yōu)勢，不僅減少了制備環(huán)節(jié)，還減 少了制備環(huán)節(jié)微泡的破壞。
并且，本發(fā)明裝置和方法在造影劑制備過程中產熱少，因此尤其適合用于 制備兼藥物或基因靶向載體的超聲造影劑。造影劑微泡攜帶基因或藥物的方式 分兩種縣附法和整合法，其中整合法具有明顯的優(yōu)勢，原因在于黏附法僅 僅通過簡單的混合將藥物或基因凝附在造影劑微泡的表面， 一方面結合量少， 另一方面翻附的藥物或基因與微泡結合不牢固，經靜脈注射后，在血流沖擊下 很容易脫落，靶向性差；而整合法既可以將藥物或基因黏附在微泡表面，更可 將其整合在微泡膜上或包裹在微泡內，在使結合量增加的同時，又使靶向性更 好。通常采用聲振法時，在制備過程中產生較高的溫度，在制備時不能同時加 入藥物或基因，只能采用黏附法制備，本發(fā)明裝置在制備過程中產熱少，因此 可采用整合法制備兼藥物或基因靶向載體的超聲造影劑。
本超聲造影劑制備簡便、效果好且安全，具有很高的應用價值。同時，如 上所述，本發(fā)明還可用于制備微液滴。
針對一個氣體入口、兩個液體入口構成的最簡單的微泡制備單元，其生產速率約為107個/分鐘，本專利中所述大規(guī)模微流控芯片可顯著提高產率，如集成128個微泡制備單元，則其產率可提高到109個/分鐘，此外，與已有的商品化超聲造影劑相比，如美國食品及藥物管理局(FDA)批準臨床使用的一種超聲造影劑Difinity，其產率約為109/45秒，本專利所述大規(guī)才莫微流控芯片的產率可與其相媲美，更重要的是，Difinity造影劑的粒徑分布具有多M性，粒徑分布較寬，平均直徑在1.81im左右，直徑的標準偏差為1.5pm，但是最大的微泡直徑竟達到20pm，從而導致微泡的共振頻率范圍較大，而現(xiàn)在的超聲成像系統(tǒng)的帶寬限制只能探測到很窄的共振頻率范圍，所以大約只有18%的微泡信號可檢測到，換言之，82%的微泡不起作用而浪費掉，減少了成像系統(tǒng)的靈敏性，本專利所述裝置制備的造影劑具有很高的單分散性，具有有效信號的微泡比例高于92%,可提高超聲造影成像技術的靈敏度，特別是在超聲分子影像技術中，靶向造影劑的黏附率約為每平方毫米5-25個，微泡的單*性對提高成像靈敏度顯得尤為重要，因此，在這個意義上講，本專利所述裝置制備的造影劑在大規(guī)模化生產方面具有絕對的優(yōu)勢，臨床應用價值非常高。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
權利要求
1、一種集成芯片，其特征在于，以兩層相鄰結構為一組結構，所述集成芯片包括至少一組結構；在一組結構中，第一層結構設置M級梯度，第二層結構設置N級梯度；其中，M、N是自然數，M小于N；各級梯度中，第一級梯度設置H1個通道1，第二級梯度從每個通道1中引出H2個分支，形成H1×H2個通道2，以此類推，第N級梯度從每個通道(N-1)中引出HN個分支，形成H1×H2… … ×HN個通道N；在一組結構中，對于第一層結構的任一特定通道M，均對應于第二層結構從一通道M所引出的在第N級梯度形成H(M+1)×H(M+2)… … ×H(N-1)×HN數量的特定通道N；其中，各特定通道N的出口，等距分布在一預設置半徑圓形的圓周；對于該特定通道M，其輸出方向垂直于該圓形，其出口與該圓形的垂線通過該圓形的圓心，該特定通道M的出口與該圓心距離一特定長度；各特定通道N的輸出方向與所述垂線的夾角為相同銳角；沿該特定通道M的輸出方向，在該圓形遠離該特定通道M的一側，設置一收集通道；所述集成芯片還包括至少一與各收集通道的輸出端相連接的收集槽，用于收集和導出產物。
2、 根據權利要求l所述集成芯片，其特征在于，M=N-1。
3、 根據權利要求l所述集成芯片，其特征在于，各特定通道N的輸出方向 通過該圓形圓心。
4、 根據權利要求1所述集成芯片，其特征在于，通道M和通道N的橫截 面為矩形；所述矩形高度為20|im至30(xm、寬度分別為30nm至50(xm、 50(im 至lOOjmi,或者，分別為50lam至100pm、 30(xm至50nm。
5、 根據權利要求l所述集成芯片，其特征在于，所述收集通道的結構至少 包括以下結構其中之一外向放大的錐體、球體、半球體或錐臺體，其輸入端 的管徑為7pm至25,,高度為20pm至3(Him;或者，圓柱體或長方體，其沿 對應的特定通道M輸出方向的截面積略小于該特定通道M沿該方向的截面積， 高度為20[om至30jim。
6、 根據權利要求1所述集成芯片，其特征在于，其基質為表面親水性基質。
7、 根據權利要求6所述集成芯片，其特征在于，其基質為硅、玻璃、聚二 曱基硅氧烷、聚曱基丙烯酸甲酯或聚碳酯。
8、 根據權利要求1所述集成芯片，其特征在于，第一層結構與第二層結構 的組合，為氣體通道結構與液體通道結構的組合。
9、 一種裝置，其特征在于，包括第一物質輸入單元、第二物質輸入單元、 至少一如權利要求1至權利要求8任一所述集成芯片形成集成芯片陣列、貯存單元；各集成芯片的收集槽，分別與所述貯存單元相連接，用于收集和導出產物； 所述第一物質輸入單元分別與各集成芯片的一層結構的各通道1相連接，用于輸入第一物質；所述第二物質輸入單元分別從各集成芯片的另一層結構的各通道1相連接，用于輸入第二物質。
10、 根據權利要求9所述裝置，其特征在于，所述第一物質輸入單元與所 述第二物質輸入單元的組合，為氣體輸入單元與液體輸入單元的組合；或者， 所述第 一物質輸入單元與所述第二物質輸入單元均為液體輸入單元。
11、 根據權利要求IO所述裝置，其特征在于，所述氣體輸入單元包括順序 連接的壓力儲氣罐、減壓閥、第一傳輸管、微流量計、調壓閥和第二傳輸管， 所述第二傳輸管分別與各集成芯片的一層結構的各通道1相連接；所述液體輸入單元包括順序連接的儲液器、第三傳輸管、數字控制式注射 泵和第四傳輸管，所述第四傳輸管分別與各集成芯片的另一層結構的各通道1 相連接。
12、 一種制備微米級分散體的方法，其特征在于，應用于一包括集成芯片 陣列的裝置中，所述集成芯片陣列由至少一如權利要求1至權利要求8任一所 述集成芯片組成；所述方法包括以下步驟Al、按第一預設置條件，向各集成芯片的一層結構的各通道1輸入第一物 質；按第二預設置條件，向各集成芯片的另一層結構的各通道l輸入第二物質；A2、調節(jié)笫一物質和/或第二物質的輸入條件，使各個第一層結構的各通道 M輸出的物質以同軸流動形式，由對應的各特定通道N的物質按軸向進行包裹，分別形成待收集產物流，其軸向與所述垂線重合； A3、從各收集通道的輸出端收集和導出產物。
13、 根據權利要求12所述方法，其特征在于，所述第一物質與所述第二物 質的組合，為氣體與液體的組合；所述氣體至少包括氮氣、氟碳類氣體、氟石克 類氣體其中之一；所述液體至少包括磷脂類液體、表面活性劑類液體、上述液 體的改性液其中之一。
14、 根據權利要求12所述方法，其特征在于，步驟A1中，向各集成芯片 的第一層結構的各通道1輸入第一液體，向各集成芯片的第二層結構的各通道1 輸入氣體或第二液體；步驟A2中，使各個第一層結構的各通道M輸出的第一液體以同軸流動形 式，由氣體或第二液體按軸向包裹所述第 一液體，分別形成待收集微液滴流。
15、 根據權利要求12所述方法，其特征在于，步驟A1中，向各集成芯片 的一層結構的各通道1輸入氣體，壓力低于10psi,向各集成芯片的另一層結構 的各通道1輸入液體，流速低于3pL/s;步驟A2中，調節(jié)氣體和/或液體的輸入 條件。
16、 根據權利要求15所述方法，其特征在于，步驟A1中，輸入氣體的壓 力低于5psi，輸入液體的流速低于1.5^iL/s。
17、 根據權利要求15所述方法，其特征在于，步驟A1中，所述液體預先 加入特異性配體；或者，步驟A3之后，向所述產物加入特異性配體。
18、 根據權利要求15所述方法，其特征在于，步驟A1中，向各集成芯片 的第一層結構的各通道1輸入氣體，向各集成芯片的第二層結構的各通道1輸 入液體；步驟A2中，調節(jié)氣體和/或液體的輸入條件，使各個第一層結構的各通道 M輸出的氣體以同軸流動形式，按軸向包裹液體，分別形成待收集微球流。
19、 根據權利要求18所述方法，其特征在于，步驟A2中，各個第一層結 構的各通道M輸出的氣體，分別在兩側高速流動的液體聚焦作用下形成中軸線 位于所述垂線位置的穩(wěn)定倒錐體，各倒錐體的尖端分別與各收集通道位置相對。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成芯片、一種采用該芯片的裝置和一種制備微米級分散體的方法，該集成芯片的基質為表面親水性基質；以兩層相鄰結構為一組結構，集成芯片包括至少一組結構；在一組結構中，第一層結構設置M級梯度，第二層結構設置N級梯度；M、N是自然數，M小于N；各級梯度中，第一級梯度設置H1個通道1，第二級梯度從每個通道1中引出H2個分支，形成H1×H2個通道2，以此類推，第N級梯度從每個通道(N-1)中引出HN個分支，形成H1×H2……×HN個通道N。在遠離各通道M的一側，分別設置一收集通道；集成芯片還包括至少一與各收集通道的輸出端相連接的收集槽，用于收集和導出產物。本發(fā)明的產率非常高，在大規(guī)?；a造影劑方面具有絕對的優(yōu)勢。
文檔編號B01F3/04GK101474541SQ200810241260
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月16日 優(yōu)先權日2008年12月16日
發(fā)明者姜春香, 王戰(zhàn)會, 鄭海榮, 靳巧峰 申請人:深圳先進技術研究院