專利名稱：用于單分散乳液制備的重力驅(qū)動(dòng)微流體裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種可用于單分散乳液制備的重力驅(qū)動(dòng)微流體裝置?；谖⒘?控裝置，通過借助于不同高度的流體柱的恒定重力作用產(chǎn)生的恒定流速驅(qū)動(dòng)微流控系統(tǒng)， 利用連續(xù)相流體對分散相流體的剪切力、表面張力等作用，形成大小均勻的液滴，再通過固 化干燥或者紫外照射聚合，形成符合生物分析以及蛋白質(zhì)、基因、藥物篩選等載體要求的微 球。
背景技術(shù)：
隨著生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以微球?yàn)檩d體的液相流動(dòng)芯片技術(shù)在生物分析以 及蛋白質(zhì)、基因、藥物篩選中得到了越來越多的運(yùn)用。相對于其他形式的固相載體，微球具 有顯著的優(yōu)勢第一，微球的比表面積大，能夠增加有效反應(yīng)表面積與體積之比，因此可以 使表面的化學(xué)反應(yīng)在更小的體積內(nèi)進(jìn)行；第二，采用微球作為載體可以利用一些其他輔助 手段如攪拌、液體沖刷等實(shí)現(xiàn)一種介于固-液反應(yīng)和液-液反應(yīng)之間的反應(yīng)體系，從而加快 體系的反應(yīng)速度；第三，微球表面結(jié)合的分子在反應(yīng)完成之后可以方便的從溶液中分離出 來；第四，隨著微球表面功能化基團(tuán)的改變，可以擴(kuò)展微球的用途。目前，多功能、高性能聚合物微球的制備一直是國內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)，并且已經(jīng) 滲入到眾多相關(guān)學(xué)科的研究中。常用的聚合物微球制備方法有乳液聚合法、分散聚合法、種 子聚合法、懸浮聚合法和微懸浮聚合法等，但是這種方法制備的微球粒徑在納米和亞微米 范圍，并且將某種顆粒包被在聚合物中的難度很大。而制備幾百個(gè)微米到幾個(gè)毫米粒徑聚 合物微球的方法有噴霧干燥法和模板法等，但是都存在粒徑不均勻以及制作設(shè)備要求高， 制作成本高等問題。微流控技術(shù)是指采用微細(xì)加工技術(shù)，在一塊幾平方厘米的芯片上制作 出微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，把實(shí)驗(yàn)室大型設(shè)備集成在盡可能小的操作平臺(tái)上，用以完成不同的實(shí) 驗(yàn)過程，并能對產(chǎn)物進(jìn)行分析的技術(shù)。它不僅使試劑的消耗降低，而且使實(shí)驗(yàn)速度提高，費(fèi) 用降低，充分體現(xiàn)了當(dāng)今實(shí)驗(yàn)室設(shè)備微型化、集成化和便攜化的發(fā)展趨勢。因此，開發(fā)基于 重力驅(qū)動(dòng)的微流控裝置將降低實(shí)驗(yàn)成本，簡化實(shí)驗(yàn)步驟，縮小實(shí)驗(yàn)設(shè)備，精確控制結(jié)果，實(shí) 現(xiàn)微球的大規(guī)模和連續(xù)制備。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)制造一種用于單分散乳液制備的重力驅(qū)動(dòng)微流體 裝置及方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)制造成本低廉，操作方便，能夠更精確的控制乳液滴的 大小，制備的乳液滴聚合良好的單分散性，可以實(shí)現(xiàn)乳液滴的大規(guī)模制備和連續(xù)制備，可重 復(fù)性好。技術(shù)方案本發(fā)明的用于單分散乳液制備的重力驅(qū)動(dòng)微流體裝置主要包括以下部 分微流控裝置支撐部件分散相支撐柱和連續(xù)相支撐柱分部固在支撐底板上，分散 相固定夾固定在分散相支撐柱上，連續(xù)相固定夾固定在連續(xù)相支撐柱上；分散相支撐柱和連續(xù)相支撐柱上分別設(shè)有高度自動(dòng)升降部件的分散相高度控制馬達(dá)和連續(xù)相高度控制馬 達(dá)，馬達(dá)控制器控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)分別調(diào)節(jié)微流體裝置的高度；恒定進(jìn)樣部件分散相進(jìn)樣外柱固定在分散相固定夾上，分散相進(jìn)樣內(nèi)柱位于分 散相進(jìn)樣外柱內(nèi)，其高度低于分散相進(jìn)樣外柱的高度，分散相進(jìn)樣通道出口接分散相進(jìn)樣 內(nèi)柱的底部，分散相溢出口接分散相進(jìn)樣外柱的底部；連續(xù)相進(jìn)樣外柱固定在連續(xù)相固定夾上，連續(xù)相進(jìn)樣內(nèi)柱位于連續(xù)相進(jìn)樣外柱 內(nèi)，其高度低于連續(xù)相進(jìn)樣外柱的高度，連續(xù)相進(jìn)樣通道出口接連續(xù)相進(jìn)樣內(nèi)柱的底部，連 續(xù)相溢出口接連續(xù)相進(jìn)樣外柱的底部；流體管道和微流控通道部件分散相微流體管道的上端接分散相進(jìn)樣通道出口， 下端接一個(gè)T形微流控或協(xié)流式微流控通道的分散相入口 ；連續(xù)相微流體管道的上端接連 續(xù)相進(jìn)樣通道出口，下端接一個(gè)T形微流控或協(xié)流式微流控通道的連續(xù)相入口 ；T形微流控 或協(xié)流式微流控通道的出口接微流體流出管道；連續(xù)加樣部件分散相儲(chǔ)液樣品池的進(jìn)端接分散相溢出口，出樣端接分散相蠕動(dòng) 加樣泵，分散相蠕動(dòng)加樣泵的出樣端位于分散相連續(xù)加樣池的上部，分散相連續(xù)加樣池的 下部接分散相進(jìn)樣內(nèi)柱；連續(xù)相儲(chǔ)液樣品池的進(jìn)樣端接連續(xù)相溢出口，出樣端接連續(xù)相蠕動(dòng)加樣泵，連續(xù) 相蠕動(dòng)加樣泵的出樣端位于連續(xù)相連續(xù)加樣池的上部，連續(xù)相連續(xù)加樣池25的下部接連 續(xù)相進(jìn)樣內(nèi)柱；用于單分散乳液制備的重力驅(qū)動(dòng)微流體裝置的重力驅(qū)動(dòng)微流體的方法為所述的 微流控裝置的驅(qū)動(dòng)力源于流體柱流體重力，重力驅(qū)動(dòng)流體產(chǎn)生恒定速度，作為微流控裝置 的驅(qū)動(dòng)速度；通過控制流體柱的高度，產(chǎn)生的不同的恒定速度驅(qū)動(dòng)微流控裝置，使乳液或前 聚體溶液在流動(dòng)相中剪切形成不同大小的單分散液滴；通過控制連續(xù)加樣部件，實(shí)現(xiàn)微流 控裝置的連續(xù)進(jìn)樣，實(shí)現(xiàn)單分散液滴的大規(guī)模和連續(xù)制備；維持微流控裝置的液體柱保持恒定高度以及恒定量液體，多余液體溢出兩相內(nèi) 柱，從溢出口流出；通過蠕動(dòng)加樣馬達(dá)，不斷向恒定進(jìn)樣部件加樣，維持連續(xù)的不斷的進(jìn)樣； 通過馬達(dá)控制器控制兩相高度升降機(jī)械馬達(dá)，控制微流控裝置的液體柱的高度。有益效果根據(jù)本發(fā)明，利用基于重力驅(qū)動(dòng)的微流控裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)簡單、成本低廉基于重力驅(qū)動(dòng)的微流控系統(tǒng)只需要制作兩個(gè)高度支撐架、流 體流量控制系統(tǒng)以及微流體通道系統(tǒng)即可，成本低廉；客服了機(jī)械驅(qū)動(dòng)帶來的昂貴成本和 誤差。同時(shí)，只要制作一個(gè)微流體系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)一系列微球的制備。微球單分散性好由于流體重力驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生的流速更為恒定，受外界影響隱身更 小，制備得到的微球更加均勻，單分散性好。連續(xù)制備由于系統(tǒng)可使用大量的流體，可以實(shí)現(xiàn)微球的連續(xù)制備，只要流體量足 夠可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的制備微球。大規(guī)模制備由于系統(tǒng)可使用大量流體以及實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的制備，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) 微球的大量制備。可重復(fù)性好由于微球的大小與裝置的材料特性無關(guān)，所以只要兩相液體與前期 實(shí)驗(yàn)相同就可重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)過相應(yīng)的固化處理后，微球的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠較好的滿足作為生物載體的使用要求。


圖1為本發(fā)明基于重力驅(qū)動(dòng)的微流控裝置圖，圖中標(biāo)注有支撐底板1，分散相支撐 柱2，分散相固定夾3，連續(xù)相支撐柱4，連續(xù)相固定夾5，分散相進(jìn)樣外柱6，高度低于外柱 的恒定高度的分散相進(jìn)樣內(nèi)柱7，分散相進(jìn)樣通道出口 8，分散相溢出口 9，連續(xù)相進(jìn)樣外柱 10，高度低于外柱的恒定高度的連續(xù)相進(jìn)樣內(nèi)柱11，連續(xù)相進(jìn)樣通道出口 12，連續(xù)相溢出 口 13，分散相微流體管道14，連續(xù)相微流體管道15，微流體流出管道16，微流控通道分散相 入口 17，微流控通道連續(xù)相入口 18，微流控通道出口 19，分散相樣品池20，分散相蠕動(dòng)加樣 泵21，分散相連續(xù)加樣池22，連續(xù)相樣品池23，連續(xù)相蠕動(dòng)加樣泵24，連續(xù)相連續(xù)加樣池 25，分散相高度控制馬達(dá)26，連續(xù)相高度控制馬達(dá)27和馬達(dá)控制器28。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過設(shè)計(jì)制造基于重力驅(qū)動(dòng)的微流控裝置；該裝置基于液體柱的流體重力 產(chǎn)生恒定的速度，驅(qū)動(dòng)微流控系統(tǒng)，通過控制液體柱的高度，產(chǎn)生的不同大小的恒定驅(qū)動(dòng)速 度，借助連續(xù)相流體對分散相液體的剪切力、表面張力等作用制備不同大小的液滴模板；通 過控制連續(xù)加樣部件，實(shí)現(xiàn)液滴的大規(guī)模和連續(xù)制備；再通過固化干燥或者紫外聚合，形成 符合生物分析以及蛋白質(zhì)、基因、藥物篩選等載體要求的聚合物微球?；诹黧w在恒定高度的液體柱中，產(chǎn)生恒定的流速，以作為微流控通道系統(tǒng)的驅(qū) 動(dòng)速度；采用微流體通道系統(tǒng)使乳液或前聚體溶液在流動(dòng)相中形成液滴。通過控制機(jī)械馬 達(dá)，自動(dòng)調(diào)整裝置的液體柱高度，以產(chǎn)生不同大小的恒定驅(qū)動(dòng)速度；通過連續(xù)加樣和恒定進(jìn) 樣部件，控制流體的連續(xù)加樣和流體總量的恒定，以保持驅(qū)動(dòng)速度恒定不變，實(shí)現(xiàn)液滴的大 規(guī)模制備和連續(xù)制備，裝置主要包括以下部分1)微流控裝置支撐部件采用機(jī)械加工技術(shù)建立微流控裝置支撐部件，該部件有 三個(gè)部分，分別為支撐底板1，分散相支撐柱2，分散相固定夾3，連續(xù)相支撐柱4和連續(xù)相固 定夾5 ；2)恒定進(jìn)樣部件采用玻璃或塑料或金屬加工技術(shù)建立恒定進(jìn)樣部件，該部件包 括，分散相進(jìn)樣外柱6，高度低于外柱的恒定高度的分散相進(jìn)樣內(nèi)柱7，分散相進(jìn)樣通道出 口 8，分散相溢出口 9和連續(xù)相進(jìn)樣外柱10，高度低于外柱的恒定高度的連續(xù)相進(jìn)樣內(nèi)柱 11，連續(xù)相進(jìn)樣通道出口 12，連續(xù)相溢出口 13 ；3)流體管道和微流控通道部件采用特富隆作為微流體的流通管道，管道主要分 為三個(gè)部分，分別為分散相微流體管道14，連續(xù)相微流體管道15，微流體流出管道16 ；采用 微加工技術(shù)建立微流體通道網(wǎng)絡(luò)，或者選擇針頭、聚合物管、三通連接出一個(gè)T形通道，該 通道有2個(gè)入口，分別為分散相入口 17和連續(xù)相入口 18，有1個(gè)出口 19 ；4)連續(xù)加樣部件采用機(jī)械加工技術(shù)，選擇蠕動(dòng)加樣泵，建立連續(xù)加樣部件，該部 件分為六個(gè)部分，分別是分散相樣品池20，分散相蠕動(dòng)加樣泵(21，分散相連續(xù)加樣池22和 連續(xù)相樣品池23，連續(xù)相蠕動(dòng)加樣泵24，連續(xù)相連續(xù)加樣池25 ；5)高度自動(dòng)升降部件采用機(jī)械加工以及電子加工技術(shù)，選擇可控制機(jī)械馬達(dá)， 建立高度自動(dòng)升降部件，該部件主要包括三個(gè)部分，分別為分散相高度控制馬達(dá)26，連續(xù)相高度控制馬達(dá)27和馬達(dá)控制器28 ；所述的微流控裝置的驅(qū)動(dòng)力源于流體柱流體重力，重力驅(qū)動(dòng)流體產(chǎn)生恒定速度， 作為微流控裝置的驅(qū)動(dòng)速度；通過控制流體柱的高度，產(chǎn)生的不同的恒定速度驅(qū)動(dòng)微流控 裝置，使乳液或前聚體溶液在流動(dòng)相中剪切形成不同大小的單分散液滴；通過控制連續(xù)加 樣部件，實(shí)現(xiàn)微流控裝置的連續(xù)進(jìn)樣，實(shí)現(xiàn)單分散液滴的大規(guī)模和連續(xù)制備；支撐部件為微流控裝置提供高度支架，支持微流控裝置產(chǎn)生恒定高度的流體柱； 維持微流控裝置的液體柱保持恒定高度以及恒定量液體，多余液體溢出兩相內(nèi)柱，從溢出 口流出；通過蠕動(dòng)加樣馬達(dá)，不斷向恒定進(jìn)樣部件加樣，維持連續(xù)的不斷的進(jìn)樣；通過馬達(dá) 控制器控制兩相高度升降機(jī)械馬達(dá)，自動(dòng)控制微流控裝置的液體柱的高度。
權(quán)利要求
一種用于單分散乳液制備的重力驅(qū)動(dòng)微流體裝置，其特征在于該裝置主要包括以下部分微流控裝置支撐部件分散相支撐柱(2)和連續(xù)相支撐柱(4)分部固在支撐底板(1)上，分散相固定夾(3)固定在分散相支撐柱(2)上，連續(xù)相固定夾(5)固定在連續(xù)相支撐柱(4)上；分散相支撐柱(2)和連續(xù)相支撐柱(4)上分別設(shè)有高度自動(dòng)升降部件的分散相高度控制馬達(dá)(26)和連續(xù)相高度控制馬達(dá)(27)，馬達(dá)控制器(28)控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)分別調(diào)節(jié)微流體裝置的高度；恒定進(jìn)樣部件分散相進(jìn)樣外柱(6)固定在分散相固定夾(3)上，分散相進(jìn)樣內(nèi)柱(7)位于分散相進(jìn)樣外柱(6)內(nèi)，其高度低于分散相進(jìn)樣外柱(6)的高度，分散相進(jìn)樣通道出口(8)接分散相進(jìn)樣內(nèi)柱(7)的底部，分散相溢出口(9)接分散相進(jìn)樣外柱(6)的底部；連續(xù)相進(jìn)樣外柱(10)固定在連續(xù)相固定夾(5)上，連續(xù)相進(jìn)樣內(nèi)柱(11)位于連續(xù)相進(jìn)樣外柱(10)內(nèi)，其高度低于連續(xù)相進(jìn)樣外柱(10)的高度，連續(xù)相進(jìn)樣通道出口(12)接連續(xù)相進(jìn)樣內(nèi)柱(11)的底部，連續(xù)相溢出口(13)接連續(xù)相進(jìn)樣外柱(10)的底部；流體管道和微流控通道部件分散相微流體管道(14)的上端接分散相進(jìn)樣通道出口(8)，下端接一個(gè)T形微流控或協(xié)流式微流控通道的分散相入口(17)；連續(xù)相微流體管道(15)的上端接連續(xù)相進(jìn)樣通道出口(12)，下端接一個(gè)T形微流控或協(xié)流式微流控通道的連續(xù)相入口(18)；T形微流控或協(xié)流式微流控通道的出口(19)接微流體流出管道(16)；連續(xù)加樣部件分散相儲(chǔ)液樣品池(20)的進(jìn)樣端接分散相溢出口(9)，出樣端接分散相蠕動(dòng)加樣泵(21)，分散相蠕動(dòng)加樣泵(21)的出樣端位于分散相連續(xù)加樣池(22)的上部，分散相連續(xù)加樣池(22)的下部接分散相進(jìn)樣內(nèi)柱(7)；連續(xù)相儲(chǔ)液樣品池(23)的進(jìn)樣端接連續(xù)相溢出口(13)，出樣端接連續(xù)相蠕動(dòng)加樣泵(24)，連續(xù)相蠕動(dòng)加樣泵(24)的出端位于連續(xù)相連續(xù)加樣池(25)的上部，連續(xù)相連續(xù)加樣池(25)的下部接連續(xù)相進(jìn)樣內(nèi)柱(11)；
2.一種如權(quán)利要求1所述的用于單分散乳液制備的重力驅(qū)動(dòng)微流體裝置的重力驅(qū)動(dòng) 微流體的方法，其特征在于所述的微流控裝置的驅(qū)動(dòng)力源于流體柱流體重力，重力驅(qū)動(dòng)流 體產(chǎn)生恒定速度，作為微流控裝置的驅(qū)動(dòng)速度；通過控制流體柱的高度，產(chǎn)生的不同的恒定 速度驅(qū)動(dòng)微流控裝置，使乳液或前聚體溶液在流動(dòng)相中剪切形成不同大小的單分散液滴; 通過連續(xù)加樣部件，控制微流控裝置的連續(xù)進(jìn)樣，實(shí)現(xiàn)單分散液滴的大規(guī)模和連續(xù)制備；維持微流控裝置的液體柱保持恒定高度以及恒定量液體，多余液體溢出兩相內(nèi)柱，從 溢出口流出；通過蠕動(dòng)加樣馬達(dá)，不斷向恒定進(jìn)樣部件加樣，維持連續(xù)的不斷的進(jìn)樣；通過 馬達(dá)控制器控制兩相高度升降機(jī)械馬達(dá)，控制微流控裝置的液體柱的高度。
全文摘要
一種可用于單分散乳液制備的重力驅(qū)動(dòng)微流體裝置及方法，基于微流控裝置，通過借助于不同高度的流體柱的恒定重力作用產(chǎn)生的恒定流速來驅(qū)動(dòng)微流控系統(tǒng)，利用連續(xù)相流體對分散相流體的剪切力、表面張力等作用形成大小均勻的液滴，再通過固化干燥或者紫外照射聚合，形成符合生物分析以及蛋白質(zhì)、基因、藥物篩選等載體要求的微球。該裝置包括微流控裝置支撐部件，恒定進(jìn)樣部件，流體管道和微流控通道部件，連續(xù)加樣部件通過控制兩相機(jī)械馬達(dá)，自動(dòng)化地控制兩相液體柱的高度，不同高度的液體柱驅(qū)動(dòng)流體產(chǎn)生恒定的速度，驅(qū)動(dòng)微流控裝置的連續(xù)相流體剪切分散相液體制備不同大小的液滴；通過連續(xù)加樣部件和恒定進(jìn)樣部件，實(shí)現(xiàn)液滴的大規(guī)模和連續(xù)制備。
文檔編號(hào)B01L3/00GK101982229SQ20101050322
公開日2011年3月2日 申請日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者唐寶成, 趙祥偉, 趙遠(yuǎn)錦, 顧忠澤 申請人:東南大學(xué)