CN118577316A - 一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道及复合液滴的制备筛分方法 - Google Patents
一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道及复合液滴的制备筛分方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118577316A CN118577316A CN202410767852.7A CN202410767852A CN118577316A CN 118577316 A CN118577316 A CN 118577316A CN 202410767852 A CN202410767852 A CN 202410767852A CN 118577316 A CN118577316 A CN 118577316A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fluid
- layer
- composite
- channel
- liquid drop
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 238000012216 screening Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 141
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 18
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 14
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 14
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 14
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 claims description 10
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 7
- 230000008719 thickening Effects 0.000 claims description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 3
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 2
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims description 2
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 claims description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 2
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 2
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims description 2
- 238000002174 soft lithography Methods 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims 31
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 abstract description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 41
- 239000000047 product Substances 0.000 description 10
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 7
- DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N Propylene glycol Chemical compound CC(O)CO DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 4
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 3
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N n-Octanol Natural products CCCCCCCC TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- NWGKJDSIEKMTRX-AAZCQSIUSA-N Sorbitan monooleate Chemical compound CCCCCCCC\C=C/CCCCCCCC(=O)OC[C@@H](O)[C@H]1OC[C@H](O)[C@H]1O NWGKJDSIEKMTRX-AAZCQSIUSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 3,7-bis(dimethylamino)phenothiazin-5-ium Chemical compound C1=CC(N(C)C)=CC2=[S+]C3=CC(N(C)C)=CC=C3N=C21 RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101001121408 Homo sapiens L-amino-acid oxidase Proteins 0.000 description 1
- 101000827703 Homo sapiens Polyphosphoinositide phosphatase Proteins 0.000 description 1
- 102100026388 L-amino-acid oxidase Human genes 0.000 description 1
- 102100023591 Polyphosphoinositide phosphatase Human genes 0.000 description 1
- 101100233916 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) KAR5 gene Proteins 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- KBPLFHHGFOOTCA-UHFFFAOYSA-N caprylic alcohol Natural products CCCCCCCCO KBPLFHHGFOOTCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 1
- 238000004581 coalescence Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- -1 environment Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000003631 expected effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- STZCRXQWRGQSJD-GEEYTBSJSA-M methyl orange Chemical compound [Na+].C1=CC(N(C)C)=CC=C1\N=N\C1=CC=C(S([O-])(=O)=O)C=C1 STZCRXQWRGQSJD-GEEYTBSJSA-M 0.000 description 1
- 229940012189 methyl orange Drugs 0.000 description 1
- 229960000907 methylthioninium chloride Drugs 0.000 description 1
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
- B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
- B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
- B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
- B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
- B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
- B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
- B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
- B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
- B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Hematology (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道及复合液滴的制备筛分方法。由四个功能区纵向堆叠而成：耦合场筛分区、多乳液复合液滴生成区、连续相流体配比区和分散相流体配比区。其中两相流体配比区以蛇形通道结构实现各流体的均匀分配，并将对应分散相(连续相)流体按比例分配至液滴生成区。多乳液复合液滴生成区为多个通道以并联的方式分布在二维平面内，液滴生成单元为交错流型结构和聚焦流型结构两级串联。耦合场筛分区通过导流叶片板产生旋流分离场和模块顶部外设磁场，依据液滴粒径和磁性，实现液滴产品的高精度可控批量制备及高精度筛分。此微通道可完成结构复杂、多功能、高通量以及精确调控粒径均匀度的复合颗粒材料的高产量制备。
Description
技术领域
本发明属于医药领域，具体涉及一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道及复合液滴的制备筛分方法。
技术背景
液滴微流控技术可以广泛应用于物理、医疗、环境、化工等多领域，并在其中起到非常关键的作用。相比于传统的制备方法，微流控技术可以在微米级通道内对流体进行精确地调控，可以避免获取的微球材料结构单一，粒径偏差较大，产量低等缺陷，更方便将其应用于实际中，并且可以根据所需进行更好的创新。此外，液滴制备过程也存在不稳定性和成型方式的变化，而液滴形成后外环境条件和药物组分的相互作用也会造成液滴的聚并和二次分裂，进而造成药剂液滴尺寸和药剂尺寸和内组分用量的偏差，当前没有技术手段能够解决，迫切需要寻找新的处理办法。
中国发明专利(ZL202110457152.4)公开了一种用于多结构复合微液滴规模化可控制备的微流控装置，该发明借助其三个功能区内微通道的结构设计与串并联组合，可以完成对于多组分微流体以及复杂结构复合微液滴的可控制备。然而，此装置内设带密封圈的金属阀门，结构复杂，加工和装配精度要求高，无法实现高压高温条件下的复杂液滴的制备；而且，该芯片无粒径筛分功能，产品粒径偏差较大，无法适配对于液滴粒径均匀度要求极高的工况条件；同时，由于金属阀门的启动和关闭需要借助外设磁控，故无法实现复杂结构磁性液滴的制备。
中国发明专利(CN202121246975.4)公开了一种用于快速制备液滴的离心微流控装置，此发明采用具有中空内腔的外储液器与内储液器，内储液器安装毛细管，毛细管用于连接两储液器并作为液滴生产微通道。然而，利用离心场产生液滴，存在液滴的二次破碎，只适用于低转速条件下的小液滴制备；本专利所申请保护的内容是利用离心场对已制备的液滴进行粒度高精度筛分，原理不同。
中国发明专利(CN202011428295.4)公开了一种基于流动聚焦性的一步法双乳液滴并联生成装置及方法，此发明通过对微通道结构设计和液滴收集模块固化处理，实现流动聚焦一步法生成单一组分双乳液滴，装置结构简单且便于制造。然而此装置设计的流体通道并未考虑流体流速的阻力损失，实际液滴制备结果与预定效果可能存在一定偏差。
发明内容
本发明的目的在于突破微流控技术在高通量制备复杂结构多组分微液滴瓶颈的同时，可以对所制备的复合液滴根据尺寸与磁性大小进行筛分选择，提供一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道及复合液滴的制备筛分方法。本发明所涉及的微通道模块的液滴制备总产量为P，P＝e×Q，其中e为双乳液滴生成功能区中单个双乳液滴生成单元的液滴产量，Q为多乳液滴生成单元数，Q＝G×2r-1，其中r为流体配比层中蛇形通道串联级数。蛇形通道数G可依据微通道模块尺寸进行调控，同时受加工精度的影响。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道，其特征在于，所述的微通道由通过隔板分隔的四个功能区纵向堆叠串联而成，自下而上下依次为分散相流体配比区、连续相流体配比区、多乳液复合液滴生成区和耦合场筛分区；
所述的分散相流体配比区包括分散相I流体进口层，分散相I流体配比层，隔板层IV，分散相II流体进口层，分散相II流体配比层及底板；连续相流体配比区包括连续相I流体进口层，连续相I流体配比层，隔板层II，连续相II流体进口层，连续相II流体配比层，隔板层III；每个分散相和连续相流体的进口层具有各自独立的流体进口和流体通道，通过各进口层中心连接到对应的流体配比层的中心圆形区域，各个流体配比层沿中心圆形区域设置G个相互串联的流体配比通道，其中，G＝1,2,3…，当通道数G≥2时，各通道之间间隔相等，通道数G依据微通道模块尺寸与复合液滴的组分确定；每个流体通道是由r级(r＝2,3,4…)相同的蛇形通道串联而成，其中每一级通道又由相同或不同的蛇形微通道并联而成；
所述的多乳液复合液滴生成区包括液滴生成通道层，液滴出口层II，隔板层I，液滴生成通道层具有流体进口与各个流体配比层的末级蛇形通道各流体出口相连，液滴生成通道层由交错流型微通道进行s级并联，再与聚焦流型微通道进行t级串联组成，且沿中心圆形区域以环形放射方式在板面上并联布排，其中，s＝2,3,4…，t＝2,3,4…，液滴生成通道层的中心区具有流体通道与第一液滴出口相连通；
耦合场筛分区自上而下依次由盖板、液滴出口层I、导流叶片板层、液滴出口加厚层组成，盖板上方设置磁控单元，液滴出口层I设有第二液滴出口，液滴出口加厚层具有与导流叶片相配合的通孔；导流叶片板层中心设置有圆孔，导流叶片以圆孔为圆心、呈等间距环状阵列，以内嵌或外镶方式排列在导流叶片板层上。
优选地，所述导流叶片数量大于或等于3片；导流叶片采用等高或高度渐缩、渐扩叶片，等厚或厚度渐缩、渐扩叶片，形状为直线型或曲线型叶片；其中，叶片数量和叶片厚度依据微通道模块尺寸以及液滴粒径筛分精度确定。
优选地，所述导流叶片为等高叶片或对称不等高叶片，等高叶片高度与对称不等高叶片中的高叶片高度为h，对称不等高叶片中的低叶片高度为h’，且有0.2h≤h’＜h；导流叶片板的高度为h1，液滴出口加厚层高度为h2，对于内嵌式导流叶片，叶片高度h满足0.4h1≤h≤0.9h1，且0＜h1≤h2；对于外镶式导流叶片，叶片高度h满足0.5h1≤h≤h1，且h+h1≤h2。
优选地，所述的曲线型叶片为选自波状线型、S型、月牙型中的一种。
优选地，所述的曲线型叶片的弧度α为0.5≤α≤1，曲率半径ρ为ρ≥20mm，波形重复次数σ为σ＝1,2,3…(以上均给个范围)
优选地，所述微通道的材质为石英玻璃、聚氨酯、PDMS和PMMA中的一种或多种，采用3D打印、软光刻、湿法刻蚀、微铣削中的一种或多种方式制造获得，各层隔板与隔板之间使用胶状成型、热压成型或键合成型中的一种或多种方式组装，推动各相流体的设备为恒压泵或柱塞泵。
本发明还提供一种采用上述微通道的复合液滴的制备筛分方法，其特征在于，所述方法如下：
将配置完成的连续相与分散相流体，借助外部泵阀系统的推动，通过外接细管分别于对应入口进入各自流体配比区中心区域，随后经过相应配比通道进入蛇形微通道，到达蛇形微通道末端后经模块连通孔进入液滴生成区，在此区域，分散相流体分别在s个交错流型微通道中被连续相I流体剪切成s个单组分微液滴，随后s个单组分液滴随连续相I流体到达二级聚焦流型微通道处，被连续相II流体再次剪切，剪切次数由聚焦流型微通道级数t决定，最终批量生成复合液滴，随后复合液滴通过液滴生成区出口经连通孔进入耦合场筛分区，由导流叶片旋转产生的分离场对生成的复合液滴进行旋流分级，目标产品经第一液滴出口收集，杂质由第二液滴出口排出；
当配置流体内含磁性物质时，则打开顶部压板外接磁控单元，通过磁控单元产生规律磁场，对含磁性复合液滴进行筛分，目标产品由第二液滴出口收集，杂质由第一液滴出口排出。
有益效果
本发明提出了一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道及复合液滴的制备筛分方法，通过多乳液滴生成功能区和流体配比功能区结构的设计和串并联组合，最后借助耦合场筛分区的液滴筛分作用，不仅可完成对高粒径集中度和磁性响应高均一性微液滴的批量制备，而且可以达到对复合组分微流体精准调控和一包多乳液滴的制备目的，同时该芯片可实现规模化生产且具有可拓展性，适用于生物、医疗、制药等多领域中细胞培养以及高粒径均匀度的复合颗粒材料的高产批量制备等。
附图说明
附图1为本发明的二级串联十二通道微通道模块结构图,
20——耦合场筛分区：
其中包括1：盖板(外设可控磁场)；2：液滴出口层I；3：导流叶片板层；4：液滴出口加厚层)；
21——液滴生成区；
其中包括5：液滴出口层II；6：液滴生成通道层；7：隔板层I；
22——连续相流体配比区:
其中包括8：连续相I流体进口层；9：连续相I流体配比层；10：隔板层II；11：连续相II流体进口层；12：连续相II流体配比层；13：隔板层III；
23——分散相流体配比区:
其中包括14：分散相I流体进口层；15：分散相I流体配比层；16：隔板层IV；17：分散相II流体进口层；18：分散相II流体配比层；19：底板。
附图2为二级串联十二通道微通道模块所对应的盖板结构图。
附图3为二级串联十二通道微通道模块所对应的液滴出口层I结构图，
其中,E2:第二液滴出口。
附图4为二级串联十二通道微通道模块所对应的导流叶片板结构图。
附图5为外镶型导流叶片板三维模型图。
附图6为内嵌型导流叶片板三维模型图。
附图7为二级串联十二通道微通道模块所对应的液滴出口加厚层结构图。
附图8为二级串联十二通道微通道模块所对应的液滴出口层II结构图，
其中,E1:第一液滴出口。
附图9为二级串联十二通道微通道模块所对应的液滴生成微通道层结构图，其中,E1:第一液滴出口，复合液滴经微通道生成后聚集于板层中心，板层中心圆形区域为筛分区入口。
附图10为二级串联十二通道微通道模块所对应的隔板层I结构图。
附图11为二级串联十二通道微通道模块所对应的连续相I流体进口层结构图，其中A为连续相I流体进口处，通过细管与外部流体源相连通。
附图12为二级串联十二通道微通道模块所对应的连续相I流体配比层结构图。
附图13为二级串联十二通道微通道模块所对应的隔板层II结构图。
附图14为二级串联十二通道微通道模块所对应的连续相II流体进口层结构图，其中B为连续相II流体进口处，通过细管与外部流体源相连通。
附图15为二级串联十二通道微通道模块所对应的连续相II流体配比层结构图。
附图16为二级串联十二通道微通道模块所对应的隔板层III结构图。
附图17为二级串联十二通道微通道模块所对应的分散相I流体进口层结构图，其中C为分散相I流体进口处，通过细管与外部流体源相连通。
附图18为二级串联十二通道微通道模块所对应的分散相I流体配比层结构图。
附图19为二级串联十二通道微通道模块所对应的隔板层IV结构图。
附图20为二级串联十二通道微通道模块所对应的分散相II流体进口层结构图，其中D为分散相II流体进口处，通过细管与外部流体源相连通。
附图21为二级串联十二通道微通道模块所对应的分散相II流体配比层结构图。
附图22为二级串联十二通道微通道模块所对应的底板层结构图。
附图23为“A+A(带磁性)”型复合液滴生成原理图。
附图24为一包二“A+A”型复合液滴生成原理图。
附图25为一包二“A+B”型复合液滴生成原理图。
附图26为一包多“A+nB”型复合液滴生成原理图。
附图27为导流对称等高叶片不同强度磁性液滴筛分原理图。
附图28为导流对称等高叶片大小尺寸液滴筛分原理图。
附图29为导流对称不等高叶片大小尺寸液滴筛分原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
具体实施方式下面通过附图及实施例对本发明做进一步阐述。
导流叶片按形状分为内嵌型导流叶片与外镶型导流叶片，附图5为外镶型导流叶片板三维模型图，附图6为内嵌型导流叶片板三维模型图；按导流叶片高度分为对称等高型与对称不等高型。通过设置导流叶片，在耦合场筛分区内产生旋流场，由于液滴沿径向进入到旋流腔室内，当流量过大时，液滴之间会发生碰撞，易聚并。导流叶片的引入，可以使其中的液滴沿旋流场的切向方向运动，有助于微液滴的导出，避免液滴间的碰撞聚并。导流叶片旋转产生的外旋流迫使大粒径液滴紧贴下层隔板旋转运动，由下方液滴出口II流出，而小粒径液滴随耦合场筛分区中心上旋流，由上方液滴出口I流出。对于外镶型导流等高叶片，当生成粒径大小不同的混合液滴通过液滴生成区出口进入耦合场筛分区后，通过外镶型等高叶片旋转产生的强旋流分离场对混合液滴进行分离，小粒径液滴主要被旋流分离向上通过液滴出口I收集，大粒径液滴(目标产品)则通过液滴生成出口通道层收集，整体产品纯度高，粒径集中度高，CV值小，但收率较低，原理图如附图28所示；对于外镶型导流对称不等高叶片装置，因导流叶片高度差异而产生的旋流分离场较弱，同样对于生成的粒径大小不同的混合液滴，其筛分能力较弱，部分小粒径液滴也会通过下方液滴出口II被收集，因而整体产品收率高，但纯度较低，粒径集中度低，CV值偏大，原理图如附图29所示；对于内嵌型导流等高叶片装置，因其旋流分离整体垂直距离较短，适用于筛分不同磁性强度的混合液滴，强磁性液滴(目标产品)通过外加磁场的作用下随着旋流分离向上通过液滴出口I收集，不含磁性或弱磁性液滴则通过下方液滴出口II收集，原理图如附图27所示。
实施例1
选用石英玻璃作为基板材料，采用湿法刻蚀技术搭建微通道模块。
如图1所示，微通道模块的基板尺寸大小为100mm×100mm。液滴制备功能区各板层厚度为：下隔板0.5mm、液滴制备微通道层1.0mm；流体配比功能区各板层厚度为：微通道分隔层0.5mm、流体配比层1.0mm(包括连续相I、连续相II、分散相I、分散相II流体配比层)、盖板0.5mm、底板0.5mm。
流体配比功能区的流体配比层(包括连续相I、连续相II、分散相I和分散相II流体配比层)中心位置均设有圆形孔结构，直径为12.5mm，等间距分布6个相同结构尺寸的流体配比通道。流体配比通道采用梯形渐扩和矩形等宽排布两种蛇形微通道串联构成(见图12、图15、图18、图21)，其中第一级采用梯形渐扩排布的1个蛇形微通道，第二级采用矩形等宽排布的2个蛇形微通道并联。第二级蛇形微通道与液滴生成功能区液滴生成单元进口相连，蛇形通道采用半刻透方式加工，截面尺寸为0.5mm×0.5mm。在液滴生成功能区的液滴生成层中心设有圆形孔结构，直径为45mm，沿圆周等间距分布十二个相同结构尺寸的液滴生成单元，每个液滴生成单元由单个交错流型和单个聚焦流型微通道串联组成(见图6)，微通道横截面尺寸均为1.0mm×1.0mm。
耦合场筛分区的导流叶片板层中心位置设有圆形孔结构，直径为12.5mm，圆形孔周则环形阵列等间距分布12个波状曲线型导流叶片(见图6)，其弧度为0.7，曲率半径为30mm，波形重复次数为1。导流叶片为内嵌对称等高型，高度为0.6mm，所有叶片厚度均为1.8mm，采用去材制造方式获得，与板层组装方式为光敏胶粘合。
所有的微通道模块层均为单独加工，经过超声清洗、干燥后，按照顺序依次堆叠键合封装，制得微通道模块装置。采用去离子水对微通道模块进行渗漏测试，其中A(见图11)为连续相I流体进口，B(见图14)为连续相II流体进口，C(见图17)为分散相I流体进口，D(见图20)为分散相II流体进口。所有进口分别通过PVC软管与独立的流体输送设备相连。
本实施例采用以“甲基橙染色的2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液+1％丙三醇”作为分散相I，控制流速为10mL/min，以“亚甲基蓝染色的2wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液+0.5％丙三醇”作为分散相II，控制流速为10mL/min；“正辛醇+5％司盘80”作为连续相I，控制流速为110mL/min；“正辛烷+5％司盘80”作为连续相II，控制流速为1200mL/min，提前在分散相II流体内加入磁性物质，同时在盖板顶部放置一块直径为10mm的圆形磁铁作为外接磁控单元。借助外部泵系统的推动作用，分散相I流体与分散相Ⅱ流体分别在各自交错流型微通道中被连续相I流体剪切成两个单组分微液滴，随后两个单组分液滴随连续相I流体到达二级聚焦流型微通道处，被连续相II流体再次剪切，进而批量形成“A+A(含磁性)”型复合结构液滴，原理图如图23所示。这些复合结构液滴通过液滴生成出口进入耦合场筛分区，经过内嵌型导流等高叶片旋转产生的旋流分离场，外加顶部磁铁对带磁性液滴产生的磁性吸引力，强磁性液滴通过外加磁场的作用下随着旋流分离向上通过液滴出口I收集，此即为目标产品，不含磁性或弱磁性液滴则通过下方液滴出口II收集，筛分原理图如图27所示。最终产品指标可达9.7mL/min，磁性偏差值约为3％。
实施例2
按照实施例1所述制备微通道模块装置，将导流叶片变换为外镶型导流等高叶片，采用增材制造的方式获得，其余装置参数条件相同。将分散相II换成分散相I溶液，其余采用相同的流体组分配比，依次调节两个分散相I流速均为10mL/min，连续相I流速为120mL/min，连续相II流速为1500mL/min，通过外部泵系统的推动作用，分散相I流体分别在两个交错流型微通道中被连续相I流体剪切成两个单组分微液滴，随后两个单组分液滴随连续相I流体到达二级聚焦流型微通道处，被连续相II流体再次剪切，进而批量形成一包二“A+A”型复合结构液滴，原理图如图24所示。这些复合结构液滴通过液滴生成出口进入耦合场筛分区，经过外镶型导流等高叶片旋转产生的旋流场，其中外旋流迫使大粒径液滴紧贴下层隔板旋转运动，由下方液滴出口II流出，此即为目标产品，而小粒径液滴随耦合场筛分区中心上旋流，由上方液滴出口I流出，筛分原理图如图28所示。最终产品指标可达9.5mL/min，整体粒径偏差值约为5％。
实施例3
按照实施例1所述制备微通道模块装置，将导流叶片变换为外镶型导流对称不等高叶片，高叶片高度为0.6mm，低叶片高度为0.3mm，采用增材制造的方式获得，其余装置参数条件相同。采用相同的流体组分配比，依次调节分散相I流速为10mL/min，分散相Ⅱ流速为10mL/min，连续相I流速为120mL/min，连续相II流速为1500mL/min，通过外部泵系统的推动作用，分散相I流体与分散相Ⅱ流体分别在各自交错流型微通道中被连续相I流体剪切成两个单组分微液滴，随后两个单组分液滴随连续相I流体到达二级聚焦流型微通道处，被连续相II流体再次剪切，进而批量形成一包二“A+B”型复合结构液滴，原理图如图25所示。这些复合结构液滴通过液滴生成出口进入耦合场筛分区，经过外镶型导流对称不等高叶片旋转产生的较弱旋流场，其中外旋流迫使大粒径液滴紧贴下层隔板旋转运动，由下方液滴出口II流出，因旋流场较弱，其中也有少部分小粒径液滴，此即为目标产品，而大部分小粒径液滴随耦合场筛分区中心上旋流，由上方液滴出口I流出，筛分原理图如图29所示。最终产品指标可达9.2mL/min，整体粒径偏差值约为8％。
实施例4
按照实施例1所述制备微通道模块装置。其余采用相同的流体组分配比，依次调节分散相I流速为10mL/min，分散相II流速为20mL/min，连续相I流速为200mL/min，连续相II流速为2500mL/min，通过外部泵系统的推动作用，分散相I流体与分散相Ⅱ流体分别在各自交错流型微通道中被连续相I流体剪切成两个单组分微液滴，随后两个单组分液滴随连续相I流体到达二级聚焦流型微通道处，被连续相II流体再次剪切，进而批量形成一包多“A+nB”型复合结构液滴，原理图如图26所示。
Claims (7)
1.一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道，其特征在于，所述的微通道由通过隔板分隔的四个功能区纵向堆叠串联而成，自下而上下依次为分散相流体配比区、连续相流体配比区、多乳液复合液滴生成区和耦合场筛分区；
所述的分散相流体配比区包括分散相I流体进口层，分散相I流体配比层，隔板层IV，分散相II流体进口层，分散相II流体配比层及底板；连续相流体配比区包括连续相I流体进口层，连续相I流体配比层，隔板层II，连续相II流体进口层，连续相II流体配比层，隔板层III；每个分散相和连续相流体的进口层具有各自独立的流体进口和流体通道，通过各进口层中心连接到对应的流体配比层的中心圆形区域，各个流体配比层沿中心圆形区域设置G个相互串联的流体配比通道，其中，G＝1,2,3…，当通道数G≥2时，各通道之间间隔相等，通道数G依据微通道模块尺寸与复合液滴的组分确定；每个流体通道是由r级(r＝2,3,4…)相同的蛇形通道串联而成，其中每一级通道又由相同或不同的蛇形微通道并联而成；
所述的多乳液复合液滴生成区包括液滴生成通道层，液滴出口层II，隔板层I，液滴生成通道层具有流体进口与各个流体配比层的末级蛇形通道各流体出口相连，液滴生成通道层由交错流型微通道进行s级并联，再与聚焦流型微通道进行t级串联组成，且沿中心圆形区域以环形放射方式在板面上并联布排，其中，s＝2,3,4…，t＝2,3,4…，液滴生成通道层的中心区具有流体通道与第一液滴出口相连通；
耦合场筛分区自上而下依次由盖板、液滴出口层I、导流叶片板层、液滴出口加厚层组成，盖板上方设置磁控单元，液滴出口层I设有第二液滴出口，液滴出口加厚层具有与导流叶片相配合的通孔；导流叶片板层中心设置有圆孔，导流叶片以圆孔为圆心、呈等间距环状阵列，以内嵌或外镶方式排列在导流叶片板层上。
2.如权利要求1所述的复合液滴微通道，其特征在于，所述导流叶片数量大于或等于3片；导流叶片采用等高或高度渐缩、渐扩叶片，等厚或厚度渐缩、渐扩叶片，形状为直线型或曲线型叶片；其中，叶片数量和叶片厚度依据微通道模块尺寸以及液滴粒径筛分精度确定。
3.如权利要求2所述的复合液滴微通道，其特征在于，所述导流叶片为等高叶片或对称不等高叶片，等高叶片高度与对称不等高叶片中的高叶片高度为h，对称不等高叶片中的低叶片高度为h’，且有0.2h≤h’＜h；导流叶片板的高度为h1，液滴出口加厚层高度为h2，对于内嵌式导流叶片，叶片高度h满足0.4h1≤h≤0.9h1，且0＜h1≤h2；对于外镶式导流叶片，叶片高度h满足0.5h1≤h≤h1，且h+h1≤h2。
4.如权利要求2所述的复合液滴微通道，其特征在于，所述的曲线型叶片为选自波状线型、S型、月牙型中的一种。
5.如权利要求4所述的复合液滴微通道，其特征在于，所述的曲线型叶片的弧度α为0.5≤α≤1，曲率半径ρ为ρ≥20mm，波形重复次数为σ为σ＝1,2,3…。
6.如权利要求1所述的复合液滴微通道，其特征在于，所述微通道的材质为石英玻璃、聚氨酯、PDMS和PMMA中的一种或多种，采用3D打印、软光刻、湿法刻蚀、微铣削中的一种或多种方式制造获得，各层隔板与隔板之间使用胶状成型、热压成型或键合成型中的一种或多种方式组装，推动各相流体的设备为恒压泵或柱塞泵。
7.采用权利要求1所述微通道的复合液滴的制备筛分方法，其特征在于，所述方法如下：
将配置完成的连续相与分散相流体，借助外部泵阀系统的推动，通过外接细管分别于对应入口进入各自流体配比区中心区域，随后经过相应配比通道进入蛇形微通道，到达蛇形微通道末端后经模块连通孔进入液滴生成区，在此区域，分散相流体分别在s个交错流型微通道中被连续相I流体剪切成s个单组分微液滴，随后s个单组分液滴随连续相I流体到达二级聚焦流型微通道处，被连续相II流体再次剪切，剪切次数由聚焦流型微通道级数t决定，最终批量生成复合液滴，随后复合液滴通过液滴生成区出口经连通孔进入耦合场筛分区，由导流叶片旋转产生的分离场对生成的复合液滴进行旋流分级，目标产品经第一液滴出口收集，杂质由第二液滴出口排出；
当配置流体内含磁性物质时，则打开顶部压板外接磁控单元，通过磁控单元产生规律磁场，对含磁性复合液滴进行筛分，目标产品由第二液滴出口收集，杂质由第一液滴出口排出。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410767852.7A CN118577316A (zh) | 2024-06-14 | 2024-06-14 | 一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道及复合液滴的制备筛分方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410767852.7A CN118577316A (zh) | 2024-06-14 | 2024-06-14 | 一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道及复合液滴的制备筛分方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118577316A true CN118577316A (zh) | 2024-09-03 |
Family
ID=92538064
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410767852.7A Pending CN118577316A (zh) | 2024-06-14 | 2024-06-14 | 一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道及复合液滴的制备筛分方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118577316A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119016125A (zh) * | 2024-10-16 | 2024-11-26 | 哈尔滨理工大学 | 一种基于磁场驱动的磁性液滴合成装置 |
-
2024
- 2024-06-14 CN CN202410767852.7A patent/CN118577316A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119016125A (zh) * | 2024-10-16 | 2024-11-26 | 哈尔滨理工大学 | 一种基于磁场驱动的磁性液滴合成装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112275336B (zh) | 一种多通道集成微流控芯片及其高通量制备单分散凝胶微球的方法 | |
| JP4032128B2 (ja) | 微小流路構造体、構成されるデスクサイズ型化学プラント及びそれらを用いた微粒子製造装置 | |
| CN106215990B (zh) | 一种规模化制备液滴的微流控模块 | |
| CN101224402A (zh) | 微小流路结构及采用它的微小颗粒制造方法 | |
| Ozawa et al. | A numbering-up strategy of hydrodynamic microfluidic filters for continuous-flow high-throughput cell sorting | |
| CN108380254A (zh) | 微流控芯片液滴生成装置 | |
| CN105618167A (zh) | 一种用于高通量制备液滴的离心式微流控芯片 | |
| CN101957383A (zh) | 基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统及使用方法 | |
| CN216458927U (zh) | 一种微流控芯片盒 | |
| CN117015596B (zh) | 机械穿孔类有效负载递送至生物细胞的方法和系统 | |
| CN111378556A (zh) | 微流控芯片及其制备方法、单细胞微液滴的制备方法 | |
| CN118577316A (zh) | 一种基于耦合场的多结构复合液滴微通道及复合液滴的制备筛分方法 | |
| WO2023284191A1 (zh) | 一种用于单细胞测序的微流控芯片及应用 | |
| WO2023231236A1 (zh) | 无源微流控微反应器以及微流控芯片 | |
| CN110075934B (zh) | 一种3d打印微流控器件及其大通量制备单分散乳液的方法 | |
| CN105126687B (zh) | 一种分合式被动微混合器 | |
| CN106669556B (zh) | 一种利用变换微流控通道制备毫米级颗粒的方法 | |
| CN106423315A (zh) | 一种基于微流控芯片的多物质梯度混合液滴形成装置 | |
| CN108607376A (zh) | 一种基于振荡流的液滴融合方法及器件 | |
| CN113578404B (zh) | 一种面向药物微球的多浓度微液滴芯片及其制造方法 | |
| CN108993337A (zh) | 一种液滴流微反应器的集成装置 | |
| CN223082803U (zh) | 一种双乳化高通量微流控芯片 | |
| CN119186663B (zh) | 一种双乳化高通量微流控芯片及其制备方法 | |
| CN214288265U (zh) | 一种高效单双乳液分离分裂微流控集成芯片 | |
| CN118080032A (zh) | 一种复杂乳液微滴快速制备的三维微流控芯片 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |