KR20120089661A - 분출 및 다른 기술을 사용하여 생성되는 다중 에멀션 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대체로 에멀션에 관한 것이고, 특히 다중 에멀션에 관한 것이다. 일 태양에서, 다중 에멀션은 유체를 채널 내로 가압함으로써, 예컨대 유체가 "분출물"로서 채널 내로 진입하게 함으로써 형성된다. 부 채널이 유체를 주위 유체로 캡슐화하도록 사용될 수 있다. 몇몇 경우에, 복수의 유체가 다중 에멀션 액적이 형성되기 전에 채널을 통해 동일 선상으로 유동할 수 있다. 유체 채널은 또한, 소정의 실시예에서, 가변도의 친수성 또는 소수성을 포함할 수 있다. 예로서, 유체 채널은 교차부 상류에서 (또는 채널 내의 다른 영역에서) 상대적으로 친수성일 수 있고, 교차부의 하류에서 상대적으로 소수성일 수 있거나, 그 반대도 가능하다. 몇몇 경우에, 평균 단면 치수는, 예컨대 교차부에서 변화할 수 있다. 예를 들어, 평균 단면 치수는 교차부에서 증가할 수 있다. 놀랍게도, 치수의 상대적으로 작은 증가는 유체 채널의 친수성의 변화와 조합하여, 소정의 유동 조건 하에서 동일 선상으로 유동하는 복수의 유체의 스트림의 액적 형성을 지연시킬 수 있고; 따라서, 다중 에멀션 액적이 형성되는 지점은 유체 채널 내에서 쉽게 제어될 수 있다. 몇몇 경우에, 다중 액적은 유체 채널 내의 단일 위치에서 (또는 그 부근에서) 유체들의 동일 선상 유동으로부터 형성될 수 있다. 또한, 예상치 않게, 본원에서 설명되는 것과 같은 시스템이 낮은 표면 장력을 갖는 유체, 점성 유체, 또는 점탄성 유체와 같은, 다른 기술을 사용해서는 캡슐화하기가 어렵거나 불가능한 유체를 단일 또는 다중 에멀션 내에 캡슐화하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 태양은 대체로 그러한 시스템을 만들고 사용하는 방법, 그러한 시스템을 포함하는 키트, 그러한 시스템을 사용하여 생성되는 에멀션 등에 관한 것이다.

Description

분출 및 다른 기술을 사용하여 생성되는 다중 에멀션 {MULTIPLE EMULSIONS CREATED USING JETTING AND OTHER TECHNIQUES}

정부 지원

본 발명의 다양한 태양으로 이어지는 연구는 국립 과학 재단(National Science Foundation), 허가 번호 DMR-0820484, DMR-0602684, DBI-0649865, 및 DMR-0213805에 의해 적어도 부분적으로 지원받았다. 미국 정부는 본 발명에서 소정의 권리를 갖는다.

관련 출원

본 출원은 바이츠(Weitz) 등의 2009년 9월 2일자로 출원된 발명의 명칭이 "분출 및 다른 기술을 사용하여 생성되는 다중 에멀션"인 미국 가특허 출원 제61/239,405호; 및 바이츠 등의 2010년 6월 9일자로 출원된 발명의 명칭이 "분출 및 다른 기술을 사용하여 생성되는 다중 에멀션"인 미국 가특허 출원 제61/353,093호에 기초하여 우선권을 주장한다. 이들 각각은 본원에서 참조로 통합되었다.

본 발명은 대체로 에멀션, 특히 다중 에멀션에 관한 것이다.

에멀션은 제1 유체가 제1 유체와 전형적으로 혼합 가능한 제2 유체 내에 분산되어 있을 때 존재하는 유체 상태이다. 일반적인 에멀션의 예는 수중유형(oil in water) 및 유중수형(water in oil) 에멀션이다. 다중 에멀션은 전형적인 2-유체 에멀션보다 더 복잡한 방식으로 배열된, 2개를 초과하는 유체 또는 2개 이상의 유체로 형성된 에멀션이다. 예를 들어, 다중 에멀션은 유중수중유형("o/w/o"), 또는 수중유중수형("w/o/w")일 수 있다. 다중 에멀션은 약물 전달, 도료, 잉크 및 코팅, 식품 및 음료, 화학적 분리, 및 건강 및 미용 보조와 같은 분야에서의 현재의 그리고 잠재적인 용도 때문에, 특히 관심을 받는다.

전형적으로, 다른 액적 내부의 액적의 다중 에멀션은 에멀션화 공정 중에 형성된 액적의 크기를 감소시키기 위한 전단력 인가 또는 혼합을 통한 에멀션화에 의한 것과 같이, 2-스테이지 에멀션화 기술을 사용하여 만들어진다. 예를 들어 다공성 유리 멤브레인을 사용하는 멤브레인 에멀션화 기술과 같은 다른 방법이 또한 수중유중수형 에멀션을 생성하기 위해 사용되었다. 미세 유체 기술 또한 2개 이상의 단계를 포함하는 절차를 사용하여 액적의 내부에 액적을 생성하기 위해 사용되었다. 예를 들어, 본원에서 참조로 통합된, 링크(Link) 등의 2004년 4월 9일자로 출원된 발명의 명칭이 "유체 종의 형성 및 제어"이며, 2004년 10월 28일자로 WO 2004/091763호로 공개된 국제 특허 출원 PCT/US2004/010903호; 또는 스톤(Stone) 등의 2003년 6월 30일자로 출원된 발명의 명칭이 "유체 분산을 위한 방법 및 장치"이며, 2004년 1월 8일자로 WO 2004/002627호로 공개된 국제 특허 출원 제PCT US03/20542호 참조.

본 발명은 대체로 에멀션에 관한 것이고, 특히 다중 에멀션에 관한 것이다. 본 발명의 보호 대상은 몇몇 경우에, 상호 연관된 제품, 특정 문제점에 대한 대안적인 해결책, 및/또는 하나 이상의 시스템 및/또는 물품의 복수의 상이한 용도를 포함한다.

일 태양에서, 본 발명은 장치에 관한 것이다. 하나의 세트의 실시예에서, 장치는 주 미세 유체 채널, 제1 교차부에서 주 미세 유체 채널과 교차하는 적어도 하나의 제1 부 미세 유체 채널, 및 제1 교차부와 다른 제2 교차부에서 주 미세 유체 채널과 교차하는 적어도 하나의 제2 부 미세 유체 채널을 포함한다. 몇몇 경우에, 제2 교차부는 주 미세 유체 채널을 제1 측면 상의 제1 부분 및 제2 교차부의 대향 측면 상의 제2 부분으로 분리하고, 제1 부분은 제1 교차부와 제2 교차부 사이에서 주 미세 유체 채널의 측면 상에 형성된다. 소정의 실시예에서, 주 미세 유체 채널의 제2 부분은 주 미세 유체 채널의 제1 부분의 평균 단면 치수에 비해, 주 미세 유체 채널의 제1 부분의 평균 단면 치수보다 약 5%와 약 20% 사이로 더 큰 평균 단면 치수를 갖는다. 몇몇 경우에, 주 미세 유체 채널의 제1 부분은 제1 친수성을 갖고, 주 미세 유체 채널의 제2 부분은 제1 친수성과 상이한 제2 친수성을 갖는다.

본 발명은 다른 태양에서, 방법에 관한 것이다. 하나의 세트의 실시예에서, 방법은 주 미세 유체 채널 내에 제1 유체를 제공하는 단계, 제1 유체가 분리된 액적을 형성하게 하지 않으면서 제1 유체가 제2 유체에 의해 둘러싸이게 하도록 주 미세 유체 채널과 제2 유체를 포함하는 적어도 하나의 제1 부 미세 유체 채널의 제1 교차부로 제1 유체를 유동시키는 단계, 제1 및 제2 유체가 분리된 액적을 형성하게 하지 않으면서 제2 유체가 제3 유체에 의해 둘러싸이게 하도록 주 미세 유체 채널과 제3 유체를 포함하는 적어도 하나의 제2 부 미세 유체 채널의 제2 교차부로 제1 및 제2 유체를 유동시키는 단계, 및 제1 및 제2 유체가, 제1 유체는 제2 유체 내에 포함되고 제2 유체는 제3 유체 내에 포함되는 개별 액적을 형성하게 하는 단계를 포함한다.

하나의 세트의 실시예에서, 방법은 준 2차원 미세 유체 채널 내에서 운반 유체 내에서 다중 에멀션 액적을 생성하는 작용을 포함한다. 다중 에멀션은 적어도 운반 유체 및 운반 유체에 의해 둘러싸여서 물리적으로 접촉하는 제1 유체를 포함할 수 있다. (전부가 아닌) 몇몇 실시예에서, 운반 유체와 제1 유체 사이의 제1 계면과, 제1 유체와 제2 유체 사이의 제2 계면 사이의 평균 분리 거리는 약 1 마이크로미터 이하이다. 소정의 경우에, 운반 유체와 제1 유체 사이의 제1 계면과, 제1 유체와 제2 유체 사이의 제2 계면 사이의 평균 분리 거리는 액적의 평균 치수의 약 10% 이하이다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 몇몇 경우에, 다중 에멀션은 또한 다른 유체, 또는 겹쳐진 유체들(nestings of fluids), 다른 종 등을 포함할 수 있다.

다른 태양에서, 본 발명은 제3 유체 액적에 의해 둘러싸인 제2 유체 액적에 의해 둘러싸인 제1 유체 액적을 포함하는 물품에 관한 것이다. 하나의 세트의 실시예에서, 제1 유체 액적은 약 40 mN/m 이하의 25℃에서의 공기 중의 표면 장력을 갖는 유체를 포함한다. 다른 세트의 실시예에서, 제1 유체는 25℃에서의 공기 중의 제1 표면 장력을 갖고, 제2 유체는 25℃에서의 공기 중의 제2 표면 장력을 갖고, 제2 표면 장력은 제1 표면 장력의 적어도 2배이다. 또 다른 세트의 실시예에서, 제1 유체는 적어도 20 mPa-s의 25℃에서의 점성을 갖는다.

또 다른 태양에서, 물품은 제1 유체의 이산된 액적을 포함하는 제2 유체를 포함하고, 제1 유체의 이산된 액적들 중 적어도 약 90%는 이산된 액적들 중 약 10% 이하가 이산된 액적들의 평균 치수의 약 10%를 초과하는 치수를 갖도록 직경 분포를 갖는다. 하나의 세트의 실시예에서, 제1 유체 액적은 약 40 mN/m 이하의 25℃에서의 공기 중의 표면 장력을 갖는 유체를 포함한다. 다른 세트의 실시예에서, 제1 유체는 25℃에서의 공기 중의 제1 표면 장력을 갖고, 제2 유체는 25℃에서의 공기 중의 제2 표면 장력을 갖고, 제2 표면 장력은 제1 표면 장력의 적어도 2배이다. 또 다른 세트의 실시예에서, 제1 유체는 적어도 20 mPa-s의 25℃에서의 점성을 갖는다.

본 발명의 또 다른 태양은 제2 유체가 제3 유체에 의해 둘러싸여 있는 동안 제2 유체에 의해 둘러싸인 제1 유체로부터 제1 액적을 형성하는 작용을 포함하는, 다중 에멀션을 만드는 방법에 관한 것이다. 하나의 세트의 실시예에서, 제1 유체 액적은 약 40 mN/m 이하의 25℃에서의 공기 중의 표면 장력을 갖는 유체를 포함한다. 다른 세트의 실시예에서, 제1 유체는 25℃에서의 공기 중의 제1 표면 장력을 갖고, 제2 유체는 25℃에서의 공기 중의 제2 표면 장력을 갖고, 제2 표면 장력은 제1 표면 장력의 적어도 2배이다. 또 다른 세트의 실시예에서, 제1 유체는 적어도 20 mPa-s의 25℃에서의 점성을 갖는다.

다른 태양에서, 본 발명은 본원에서 설명되는 실시예들 중 하나 이상, 예를 들어, 다중 에멀션을 만드는 방법에 관한 것이다. 다른 태양에서, 본 발명은 본원에서 설명되는 실시예들 중 하나 이상, 예를 들어, 다중 에멀션을 사용하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 다른 장점 및 신규한 특징은 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 본 발명의 다양한 비제한적인 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 명세서와 참조로 통합된 문헌이 상충되고 그리고/또는 불일치하는 내용을 포함하는 경우에, 본 명세서가 지배적일 것이다. 참조로 통합된 2개 이상의 문헌이 서로에 대해 상충되고 그리고/또는 불일치하는 내용을 포함하면, 이후의 발간일을 갖는 문헌이 지배적일 것이다.

본 발명의 비제한적인 실시예가 개략적이며 축척에 맞게 도시되도록 의도되지 않은, 첨부된 도면을 참조하여 예시적으로 설명될 것이다. 도면에서, 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 전형적으로 하나의 번호에 의해 표시된다. 명확함을 목적으로, 모든 구성요소가 모든 도면에서 표시되지는 않고, 본 기술 분야의 당업자가 본 발명을 이해하도록 허용하기 위해 도시가 필수적이지 않은 경우에 본 발명의 각각의 실시예의 모든 구성요소가 도시되지는 않는다.
도 1a-1b는 본 발명의 소정의 실시예에 따라 액적을 생성하는데 유용한, 다양한 비제한적인 유체 채널을 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 다중 에멀션을 생성할 수 있는 장치를 도시한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에서, 이중 접합 장치 내에서 형성되는 다양한 이중 에멀션의 다양한 광학 현미경 이미지를 도시한다.
도 4a-4b는 본 발명의 다른 실시예에서, 액적 형성의 제어를 예시하는 데이터를 도시한다.
도 5a-5b는 본 발명의 소정의 실시예에서, 이중 및 삼중 에멀션의 형성을 도시하는 다양한 광학 현미경 이미지를 도시한다.
도 6a-6b는 본 발명의 다양한 태양에 따른, 상이한 액적 생성 기술을 도시한다.
도 7a-7b는 본 발명의 소정의 실시예에 따른, 낮은 표면 장력을 갖는 유체 또는 점탄성 유체를 포함하는 에멀션의 형성을 도시하는 다양한 광학 현미경 이미지를 도시한다.
도 8a-8d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 1단계 형성 공정 중의 시간의 함수로서의 분출물 직경을 도시한다.

본 발명은 대체로 에멀션에 관한 것이고, 특히 다중 에멀션에 관한 것이다. 일 태양에서, 다중 에멀션은 채널 내로 유체를 구동함으로써, 예컨대, 유체가 "분출물"로서 채널로 진입하게 함으로써, 형성된다. 부 채널이 유체를 주변 유체로 캡슐화하도록 사용될 수 있다. 몇몇 경우에, 복수의 유체가 다중 에멀션 액적이 형성되기 전에 동일 선상으로 채널을 통해 유동할 수 있다. 유체 채널은 또한, 소정의 실시예에서, 가변도의 친수성 또는 소수성을 포함할 수 있다. 예로서, 유체 채널은 교차부 (또는 채널 내의 다른 영역)의 상류에서 상대적으로 친수성이며, 교차부의 하류에서 상대적으로 소수성일 수 있거나, 그 반대도 가능하다. 몇몇 경우에, 평균 단면 치수는, 예컨대, 교차부에서 변할 수 있다. 예를 들어, 평균 단면 치수는 교차부에서 증가할 수 있다. 놀랍게도, 치수의 상대적으로 작은 증가는, 유체 채널의 친수성의 변화와 조합하여, 소정의 유동 조건 하에서 동일 선상으로 유동하는 복수의 유체의 스트림의 액적 형성을 지연시킬 수 있고; 따라서, 다중 에멀션 액적이 형성되는 지점은 유체 채널 내에서 쉽게 제어될 수 있다. 몇몇 경우에, 다중 액적은 유체 채널 내의 단일 위치에서 (또는 그 부근에서) 유체들의 동일 선상 유동으로부터 형성될 수 있다. 또한, 예상치 않게, 본원에서 설명되는 것과 같은 시스템은 낮은 표면 장력을 갖는 유체, 점성 유체, 또는 점탄성 유체와 같은, 다른 기술을 사용하여 캡슐화하는 것이 어렵거나 불가능한 단일 또는 다중 에멀션 내에 유체를 캡슐화하도록 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 태양은 대체로 그러한 시스템을 만들고 사용하는 방법, 그러한 시스템을 포함하는 키트, 그러한 시스템을 사용하여 생성되는 에멀션 등에 관한 것이다.

따라서, 소정의 실시예에서, 본 발명은 대체로 다중 에멀션을 포함한 에멀션, 및 그러한 에멀션을 만들기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. "다중 에멀션"은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 더 작은 액적을 내부에 포함하는 더 큰 액적을 설명한다. 이중 에멀션에서, 더 큰 액적은 결국 더 작은 액적 내의 유체와 동일하거나 상이할 수 있는 다른 유체 내에 포함될 수 있다. 소정의 실시예에서, 다중 에멀션 내에서의 더 큰 정도의 겹침이 가능하다. 예를 들어, 에멀션은 더 작은 액적을 내부에 포함하는 액적을 포함할 수 있고, 더 작은 액적들 중 적어도 일부는 훨씬 더 작은 액적을 내부에 포함한다. 다중 에멀션은 약제, 세포, 화학 물질 등과 같은 종을 캡슐화하는데 유용할 수 있다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 다중 에멀션은 대체로 정밀한 반복성으로 소정의 실시예에서 형성될 수 있다. 몇몇 경우에, 제제의 캡슐화는 아래에서 설명되는 바와 같이, 상대적으로 양적으로 수행될 수 있다.

에멀션 또는 다중 에멀션이 유용한 것으로 입증될 수 있는 분야는, 예를 들어, 식품, 음료, 건강 및 미용 보조제, 도료 및 코팅, 및 약물 및 약물 전달을 포함한다. 예를 들어, 약물, 약품, 또는 다른 제제의 정밀한 양이 에멀션 내에 포함될 수 있거나, 몇몇 경우에, 세포가 액적 내에 포함될 수 있고, 세포는 저장 및/또는 전달될 수 있다. 저장 및/또는 전달될 수 있는 다른 종은, 예를 들어, siRNA, RNAi, 및 DNA와 같은 핵산, 단백질, 펩타이드, 또는 효소 등과 같은 생화학적 종을 포함한다. 본 발명의 에멀션 내에 통합될 수 있는 추가의 종은 나노 입자, 퀀텀 도트, 향료, 단백질, 표지자, 염료, 형광종, 화학 물질, 약물 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 에멀션은 또한 화학 반응을 제어하거나, 생체외 전사 및 번역, 예컨대 방향성 진화 기술을 위한 것과 같이, 소정의 경우에 반응 용기로서 역할할 수 있다.

본원에서 설명되는 방법 및 장치를 사용하여, 몇몇 실시예에서, 일관된 크기 및/또는 개수의 액적을 갖는 에멀션이 생성될 수 있고, 그리고/또는 내측 액적에 대한 외측 액적의 크기 및/또는 개수의 일관된 비율 (또는 다른 그러한 비율)이 다중 에멀션을 포함하는 경우에 대해 생성될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 예측 가능한 크기의 외측 액적 내의 단일 액적이 특정 양의 약물을 제공하도록 사용될 수 있다. 또한, 화합물 또는 약물의 조합이 액적 내에서 저장, 운반, 또는 전달될 수 있다. 예를 들어, 소수성 및 친수성 종이 액적이 친수성 및 소수성 부분을 포함할 수 있으므로, 하나의 다중 에멀션 액적 내에서 전달될 수 있다. 각각의 이러한 부분의 양 및 농도는 본 발명의 소정의 실시예에 따라 일관되게 제어될 수 있고, 이는 다중 에멀션 액적 내의 2개 이상의 종의 예측 가능하며 일관된 비율을 제공할 수 있다.

다음의 문헌이 각각 본원에서 참조로 통합되었다: 주(Chu) 등의 2008년 3월 8일자로 출원되어 2008년 10월 9일자로 WO 2008/121342호로서 공개된, 발명의 명칭이 "에멀션 및 형성을 위한 기술"인 국제 특허 출원 PCT/US2008/004097호; 바이츠 등의 2006년 3월 3일자로 출원되어 2006년 9월 14일자로 WO 2006/096571호서 공개된, 발명의 명칭이 "다중 에멀션을 형성하기 위한 방법 및 장치"인 국제 특허 출원 PCT/US2006/007772호; 및 바이츠 등의 2009년 3월 13일자로 출원된 발명의 명칭이 "다중 에멀션을 포함한 에멀션의 제어식 생성"인 미국 가특허 출원 제61/160,020호. 또한, 바이츠 등의 2009년 9월 22일자로 출원된 발명의 명칭이 "접합부를 사용하여 생성되는 다중 에멀션"인 미국 가특허 출원 제61/239,402호; 및 바이츠 등의 2009년 9월 22일자로 출원된 발명의 명칭이 "분출 또는 다른 기술을 사용하여 생성되는 다중 에멀션"인 미국 가특허 출원 제61/239,405호가 본원에서 참조로 통합되었다. 일 태양에서, 본 발명은 대체로 이중 에멀션, 삼중 에멀션, 및 다른 고차 에멀션을 포함한 다중 에멀션을 생성하는 방법에 관한 것이다. 하나의 세트의 실시예에서, 유체가 채널을 통해 유동하고, 다른 유체에 의해 둘러싸인다. 몇몇 경우에, 2개의 유체는 동일 선상 방식으로, 예컨대, 개별 액적을 생성하지 않고서, 유동할 수 있다. 2개의 유체는 그 다음 몇몇 실시예에서 처음 2개의 유체와 동일 선상으로 유동할 수 있는 또 다른 유체에 의해 둘러싸일 수 있고, 그리고/또는 유체들이 채널 내에서 이산된 액적을 형성하게 할 수 있다. 몇몇 경우에, 복수의 동일 선상 유체들의 스트림이 형성될 수 있고, 그리고/또는 삼중 또는 고차 에멀션을 형성하게 될 수 있다. 몇몇 경우에, 아래에서 설명되는 바와 같이, 이는 단일 공정으로서 발생할 수 있고, 예컨대, 다중 에멀션은 동일 선상 유체들의 다양한 스트림으로부터 실질적으로 동시에 형성된다.

이제 도 1a를 참조하면, 이러한 공정의 비제한적인 예가 설명된다. 이러한 도면에서, 시스템(10)은 미세 유체 채널일 수 있는 주 채널(15)을 포함한다. 주 채널(15)은 복수의 부 채널과 교차한다. 도 1a의 주 채널(15)은 실질적으로 직선인 것으로 도시되어 있지만; 다른 실시예에서, 주 채널은 만곡되거나, 각도를 이루거나, 구부러지거나, 다른 형상을 가질 수 있다.

또한, 도 1a에서, 주 채널(15)과 교차하여 교차부(25)를 형성하는 제1 세트의 채널(20), 및 주 채널(15)과 교차하여 교차부(35)를 형성하는 제2 세트의 채널(30)인, 2개의 세트의 채널이 주 채널(15)과 교차하여 도시되어 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 상이한 개수의 부 채널, 및/또는 상이한 개수의 교차부가 있을 수 있다. 예를 들어, 더 많은 개수의 교차부가 고차 다중 에멀션을 생성하기 위해 사용될 수 있고 (예컨대, 삼중 에멀션을 생성하기 위한 제1, 제2, 및 제3 교차부, 사중 에멀션을 생성하기 위한 4개의 교차부 등을 가짐), 그리고/또는 상이한 개수의 부 채널이 주 채널과 교차할 수 있다. 예를 들어, 교차부는 하나의 부 채널, 3개의 부 채널, 4개의 부 채널, 5개의 부 채널 등에 의해 형성될 수 있다. 그러한 시스템의 다른 예가 바이츠 등의 2009년 9월 22일자로 출원된 발명의 명칭이 "접합부를 사용하여 생성되는 다중 에멀션"인 미국 가특허 출원 제61/239,402호; 및 바이츠 등의 2009년 9월 22일자로 출원된 발명의 명칭이 "분출 및 다른 기술을 사용하여 생성되는 다중 에멀션"인 미국 가특허 출원 제61/239,405호에 개시되어 있고, 이들 각각은 본원에서 참조로 통합되었다.

도 1a에서, 각각의 부 채널은 실질적으로 직각으로 주 채널과 교차하지만; 다른 실시예에서, 부 채널은 실질적으로 직각으로 주 채널과 교차할 필요는 없다. 또한, 소정의 경우에, 부 채널의 개수는 상이한 교차부들 사이에서 동일할 필요는 없다. 예를 들어, 제1 교차부가 주 채널과 교차하는 2개의 부 채널에 의해 형성될 수 있고, 제2 교차부가 주 채널과 교차하는 1 또는 3개의 부 채널에 의해 형성될 수 있다.

하나의 세트의 실시예에서, 주 채널은 제1 부분 및 제1 부분으로부터 구분되는 제2 부분을 포함할 수 있다. 제1 부분 및 제2 부분은 각각 주 채널의 부 채널들 중 하나와의 교차부들 중 하나의 상이한 측면 상에 있는 것으로 형성될 수 있거나, 제1 부분 및 제2 부분은 주 채널 내에서 분리된 지점들에 형성될 수 있다 (즉, 반드시 교차부에 의해 형성되지는 않는다). 예를 들어, 다시 도 1a를 참조하면, 제1 채널(15)은 교차부(35) 주위의 주 채널의 상이한 측면들 상에 형성된, 제1 부분(11) 및 제2 부분(12)을 포함한다. 하나 이상의 부분들은 내부에 다른 교차부, 예컨대 도 1a의 제1 부분(11)에 대한 교차부(25)를 포함할 수 있다.

하나의 세트의 실시예에 따르면, 제1 부분 및 제2 부분은 상이한 평균 단면 치수를 가질 수 있고, 여기서 "평균 단면 치수"는 채널 내의 유체 유동에 대해 직교하여 정의된다. 각각의 부분의 평균 단면 치수는 주 채널의 제1 및 제2 부분을 형성하는 교차부에 바로 인접한 영역 내에서 결정될 수 있다. 몇몇 경우에, 미세 유체 채널의 평균 단면 치수는 미세 유체 채널의 단면의 면적과 동일한 면적을 갖는 완벽한 원의 직경일 수 있다.

소정의 실시예에서, 제1 부분은 제2 부분보다 더 작을 수 있다. 예를 들어, 제2 부분은 주 유체 채널의 제1 부분의 평균 단면 치수보다 적어도 약 5%, 몇몇 경우에, 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 적어도 약 20%, 적어도 약 25% 등으로 더 큰 평균 단면 치수를 가질 수 있다. 백분율은 주 유체 채널의 제1 부분의 평균 단면 치수에 대해 결정될 수 있다. 소정의 경우에, 제2 부분은 주 유체 채널의 제1 부분의 평균 단면 치수보다, 약 5%와 약 20% 사이, 약 10%와 약 20% 사이, 또는 약 5%와 약 10% 사이로 더 큰 평균 단면 치수를 갖는다. 그러나, 다른 경우에, 제1 부분은 제2 부분보다 더 작고, 예컨대 주 유체 채널의 제1 부분의 평균 단면 치수보다 적어도 약 5%, 몇몇 경우에, 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 적어도 약 20%, 적어도 약 25% 등으로 더 작거나, 제2 부분은 주 유체 채널의 제1 부분의 평균 단면 치수보다 약 5%와 약 20% 사이, 약 10%와 약 20% 사이, 또는 약 5%와 약 10% 사이로 더 작은 평균 단면 치수를 가질 수 있다. 제1 부분 및 제2 부분의 단면 치수의 차이는 1차원(예컨대, 부분들은 동일한 높이 및 상이한 폭을 가질 수 있거나 그 반대도 가능함)으로 상이할 수 있거나, 몇몇 경우에, 차이는 2차원(예컨대, 부분들은 높이 및 폭에 있어서 상이함)일 수 있음을 알아야 한다.

임의의 이론에 의해 구속되기를 바라지 않으면서, 소정의 경우에, 제1 부분에 대해, 더 큰 제2 부분을 사용하는 것은 개별 액적을 생성하기 위해 유체들 중 하나가 분해되게 하지 않고서 주 채널 내에서 유체의 복수의 스트림들의 동일 선상 유동을 용이하게 할 수 있다. 이는 평균 단면 치수의 증가가 유체의 증가된 유동을 용이하게 하고 그리고/또는 내측 유체가 유체 채널의 측면과 접촉하는 것을 방지할 수 있으므로, 발생할 수 있다고 믿어진다. 예를 들어, 채널로 진입하는 유체는 유체가 (예컨대, "분출" 거동 하에서) 개별 액적으로 분해되지 않도록 제1 속도로 유도될 수 있고, 그 다음 유체는 유체가 개별 액적으로 분해될 수 있도록, 예를 들어, 채널의 평균 단면 치수를 증가시킴으로써 느려질 수 있다. 몇몇 경우에, 그러한 유체 거동은 "웨버 수(Weber number)"(We)를 사용하여 결정될 수 있고, 여기서 웨버 수는 (유체를 응집성으로 유지하는) 관성 효과와 (유체가 액적을 형성하는 경향을 갖게 하는) 표면 장력 효과 사이의 균형 또는 비율로서 간주될 수 있다. 웨버 수는 흔히 관성 효과에 의해 나누어진 표면 장력 효과의 무차원 비율로서 표현되고, 즉 웨버 수가 1을 초과할 때, 표면 장력 효과가 우세하고, 웨버 수가 1 미만일 때, 관성 효과가 우세하다. 따라서, 소정의 조건 하에서, 채널 내의 유체는 유체 관성력이 표면 장력 효과에 우세할 수 있는 조건 하에서 유체가 유동하면, 액적을 형성하는 것이 방지될 수 있다. 예를 들어, 채널 내의 유체의 웨버 수를 제어함으로써, 채널 내의 유체가 액적으로 분해되는 지점은, 즉 표면 장력 효과가 관성 효과에 대해 우세하기 시작하는 지점을 제어함으로써, 제어될 수 있다. 웨버 수는, 예를 들어, 채널 내의 유체의 속도 및/또는 채널의 형상 또는 크기, 예컨대, 그의 평균 단면 치수를 제어함으로써, 제어될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 진입 유체의 조성 (및 그의 밀도 및 표면 장력) 그리고 (예컨대, 주 채널을 통한 상대 압력 변화를 앎으로써) 필요한 체적 유량을 알면, 채널의 평균 단면 치수는 채널의 제1 부분이 1 미만의 웨버 수를 보이고 채널의 제2 부분이 1을 초과하는 웨버 수를 보이도록 제어될 수 있다. 유체는 임의의 적합한 기술을 사용하여, 예컨대, 양압 또는 음압(진공) (즉, 대기압 또는 주변 압력 미만의 압력)을 사용하여 채널을 통해 흡인될 수 있다. 채널 내의 유체의 구체적인 비제한적인 예가 예 1에서 설명된다.

(전부가 아닌) 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 부분의 친수성은 상이할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 제1 및 제2 부분들의 친수성은 동일할 수 있다. 친수성은, 예를 들어, 물 접촉각 측정 등을 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 부분은 제1 친수성을 가질 수 있고, 제2 부분은 제1 친수성과 실질적으로 상이한, 예를 들어, 더 친수성이거나 더 소수성인 제2 친수성을 가질 수 있다. 부분들의 친수성은, 예를 들어, 아래에서 설명되는 바와 같이 제어될 수 있다. 친수성을 제어하기 위한 다른 적합한 기술은 어베이트(Abate) 등의 2009년 2월 11일자로 출원되어 2009년 10월 1일자로 WO 2009/120254호로서 공개된, 발명의 명칭이 "제어된 습윤 특성을 갖는 미세 유체 채널을 포함하는 표면"인 국제 특허 출원 PCT/US2009/000850호; 및 바이츠 등의 2008년 8월 7일자로 출원되어 2009년 2월 12일자로 WO 2009/020633호로서 공개된, 발명의 명칭이 "표면 상의 금속 산화물 코팅"인 국제 특허 출원 PCT/US2008/009477호에서 찾을 수 있고, 이들 각각은 본원에서 참조로 통합되었다. 몇몇 경우에, 채널의 상이한 부분들은, 예컨대, 바이츠 등의 2009년 9월 22일자로 출원된 발명의 명칭이 "접합부를 사용하여 생성되는 다중 에멀션"인 미국 가특허 출원 제61/239,402호; 및 바이츠 등의 2009년 9월 22일자로 출원된 발명의 명칭이 "분출 및 다른 기술을 사용하여 생성되는 다중 에멀션"인 미국 가특허 출원 제61/239,405호에 설명되어 있는 바와 같이, 상이한 친수성을 가질 수 있고, 이들 각각은 본원에서 참조로 통합되었다.

치수의 상대적으로 작은 증가가 유체 채널의 친수성의 변화와 조합하여, 소정의 유동 조건 하에서 동일 선상으로 유동하는 복수의 유체들의 스트림의 액적 형성을 지연시킬 수 있음이 예기치 않았을 뿐만 아니라, 예컨대, 낮은 표면 장력을 갖거나, 높은 점성을 갖거나, 점탄성 특성을 보이는 유체로 인해, 그러한 시스템이 에멀션으로 형성하기 어렵거나 불가능한 유체를 사용하여 에멀션 또는 다중 에멀션을 생성하는 능력을 가능케 함도 예기치 않은 것이다.

하나의 세트의 실시예에서, 상기 "어려운" 유체는 내측 유체로서 사용될 수 있고, 물과 같은 상이한 유체가 주변 또는 외측 유체로서 사용될 수 있다. 외측 유체는 물 또는 본원에서 개시되는 다른 유체와 같이, 즉시 액적을 형성하거나 에멀션화되는 것일 수 있다. 내측 유체가 격리 시에 액적을 형성하도록 즉시 에멀션화되지 않을 수 있지만, 예컨대, 본원에서 설명되는 바와 같이, 액적 형성 시의 외측 유체의 작용은 또한 내측 유체가 액적을 형성하게 하여, 내측 유체의 액적이 외측 유체의 액적에 의해 둘러싸이고, 이는 결국 운반 유체 내에 포함되는 다중 에멀션을 생성한다. 이러한 공정은, 예컨대, 고차 다중 에멀션을 생성하기 위해 반복될 수 있거나, 운반 유체는 외측 유체가 연속 유체로 응축할 수 있어서, 연속적인 외측 유체 내의 내측 유체의 액적의 단일 에멀션을 형성하도록 (예컨대, 여과에 의해) 제거될 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 몇몇 경우에, 액적 형성 공정은 또한 실질적으로 동일한 형상 및/또는 크기의 단분산 액적을 생성하도록 제어될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예에서, 낮은 표면 장력을 갖거나, 높은 점성을 갖거나, 점탄성 특성을 보이는 유체와 같은, 다른 조건 하에서 에멀션화하기 어려운 유체를 포함하는 에멀션이 생성될 수 있다.

예를 들어, 임의의 이론에 의해 구속되기를 바라지 않으면서, 낮은 표면 장력을 갖는 유체는 즉시 에멀션화되지 않고, 이는 그러한 유체가 연속적인 유체 또는 분출물을 형성하는 것을 선호하기보다는, 개별 액적으로 즉시 분열되기 때문이다. 유체의 표면 장력은 유체가 다른 유체보다 스스로 결합하는 것을 선호하는 경향의 척도로서 간주될 수 있어서, 높은 표면 장력을 갖는 유체는 체적당 노출 표면적을 최소화하기 위해 구형 형상 또는 개별 액적을 형성하는 경향이 있다. 대조적으로, 낮은 표면 장력을 갖는 유체는 전형적으로 이러한 특성을 보이지 않거나 (빈약하게 보이고), 대체로 결과적으로 에멀션화에 대해 부적합하다.

따라서, 본 발명의 소정의 실시예에서, 에멀션 또는 다중 에멀션이 낮은 표면 장력을 갖는 유체를 사용하여 형성될 수 있음은 놀라운 것이다. 예를 들어, (전형적으로 25℃ 및 공기에 대한 1 atm에서 측정되는) 유체의 표면 장력은 약 40 mN/m 이하, 약 35 mN/m 이하, 약 30 mN/m 이하, 약 25 mN/m 이하, 약 20 mN/m 이하,또는 약 15 mN/m 이하일 수 있다. 유체의 표면 장력은 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 임의의 적합한 기술, 예를 들어, 듀 누아(Du Nouy) 링 방법, 빌헬미(Wilhelmy) 플레이트 방법, 회전 액적 방법, 펜던트 액적 방법, 버블 압력 방법 (또는 재거(Jaeger) 방법), 액적 체적 방법, 모세관 상승 방법, 적수계 측정 방법, 또는 고착 액적 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 낮은 표면 장력을 갖는 유체의 비제한적인 예는 옥탄올, 다이에틸 에텔, 헥세인, 아이소프로판올, 옥테인, 에탄올, 메탄올, 아세톤, 아세트산 등과 같은 비극성 및/또는 유기 유체를 포함한다. 몇몇 경우에, 표면 장력은 주변 유체의 표면 장력에 대해 측정될 수 있다. 예를 들어, 낮은 표면 장력을 갖는 내측 유체가 내측 유체의 표면 장력보다, 적어도 약 2배, 적어도 약 2.5배, 적어도 약 3배, 적어도 약 4배, 적어도 약 5배, 적어도 약 7배, 적어도 약 10배 등으로 더 큰 표면 장력을 갖는 외측 유체에 의해 둘러싸일 수 있다.

다른 세트의 실시예에서, 내측 유체는 상대적으로 높은 점성을 갖는 것일 수 있다. 고점성 유체는 빠르고 쉽게 유동하지 않는 것이고, 따라서 액적을 빠르게 형성하지 않는다. 예를 들어, 유체의 점성은 적어도 약 15 mPa-s, 적어도 약 20 mPa-s, 적어도 약 30 mPa-s, 적어도 약 100 mPa-s, 적어도 약 300 mPa-s, 적어도 약 1,000 mPa-s, 적어도 약 3,000 mPa-s, 적어도 약 10⁴ mPa-s 등일 수 있다. 전형적으로, 유체의 점성은 점도계, 예컨대, U-튜브 점도계, 낙하 구 점도계, 낙하 피스톤 점도계, 오실레이팅 피스톤 점도계, 진동식 점도계, 회전식 점도계, 버블 점도계 등과 같은, 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 기술을 사용하여, 25℃에서 결정된다. 상대적으로 높은 점성을 갖는 유체의 예는 옥수수 시럽, 글라이세롤, 꿀, 중합체 용액(예컨대, 폴리우레탄(PU)/폴리부타디엔(PBD) 공중합체, 폴리에틸렌 글라이콜, 폴리프로필렌 글라이콜 등) 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.

몇몇 실시예에서, 높은 점성을 갖는 유체는 또한 고체에서 더 전형적인 탄성 특성을 보이고, 즉 유체는 점탄성이다. 탄성은 외부 응력을 받았을 때 그의 원래의 형상으로 복귀하기를 시도하는 재료의 경향으로서 간주될 수 있고 (대조적으로, 순수 유체는 유체를 담는 용기와 독립적으로, 응력이 인가되면 그의 원래의 형상으로 복귀하는 경향 또는 능력을 갖지 않고); 그러한 유체는 전형적으로 이러한 경향 때문에 에멀션화될 수 없고, 오히려 액적을 형성한다. 전형적으로, 탄성은 보통 25℃에서, 탄성 계수(young's modulus)를 결정함으로써 측정된다. 예를 들어, 유체는 적어도 약 0.01 GPa, 적어도 약 0.03 GPa, 적어도 약 0.1 GPa, 적어도 약 0.3 GPa, 적어도 약 1 GPa, 적어도 약 3 GPa, 또는 적어도 약 10 GPa의 탄성 계수를 가질 수 있다. 탄성 계수는 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 임의의 적합한 기술을 사용하여, 예를 들어, 그러한 유체에 대한 응력-변형률 관계를 결정함으로써, 측정될 수 있다.

다양한 실시예에서, 본원에서 설명되는 바와 같이 형성되는 액적은 특정 용도에 의존하여, 실질적으로 동일한 형상 및/또는 크기 (즉, "단분산") 또는 상이한 형상 및/또는 크기일 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "유체"라는 용어는 일반적으로 유동하며 그의 용기의 외형에 일치하는 경향이 있는 물질, 즉 액체, 기체, 점탄성 유체 등을 지칭한다. 전형적으로, 유체는 정적 전단 응력에 견딜 수 없는 재료이고, 전단 응력이 인가될 때, 유체는 계속적이며 영구적인 전단 변형을 경험한다. 유체는 유동을 허용하는 임의의 적합한 점성을 가질 수 있다. 2개 이상의 유체가 존재하면, 각각의 유체는 유체들 사이의 관계를 고려함으로써, 본 기술 분야의 당업자에 의해 본질적으로 임의의 유체(액체, 기체 등)들 중에서 독립적으로 선택될 수 있다. 몇몇 경우에, 액적은 운반 유체, 예컨대, 액체 내에 포함될 수 있다. 그러나, 본 발명은 다중 에멀션으로만 제한되지 않음을 알아야 한다. 몇몇 실시예에서, 단일 에멀션이 또한 생성될 수 있다.

"액적"은 본원에서 사용되는 바와 같이, 제2 유체에 의해 둘러싸인 제1 유체의 격리된 부분이다. 액적은 반드시 구형인 것은 아니고, 예를 들어, 외부 환경에 의존하여, 다른 형상도 취할 수 있음을 알아야 한다. 일 실시예에서, 액적은 액적이 위치되는 유체 유동에 대해 직교하는 채널의 최대 치수와 실질적으로 동일한 최소 단면 치수를 갖는다. 몇몇 경우에, 액적들은 균질 직경 분포를 가질 것이고, 즉 액적들은 액적들 중 약 10%, 약 5%, 약 3%, 약 1%, 약 0.03% 또는 약 0.01% 이하가 액적들의 평균 직경의 약 10%, 약 5%, 약 3%, 약 1%, 약 0.03%, 또는 약 0.01%를 초과하는 평균 직경을 갖도록 직경의 분포를 가질 수 있고, 대응하여, 출구 채널 내의 액적들은 동일하거나 유사한 직경 분포를 가질 수 있다. 그러한 균질 직경 분포를 생성하기 위한 기술이 또한 본원에서 참조로 통합된, 링크(Link) 등의 2004년 4월 9일자로 출원되어 2004년 10월 28일자로 WO 2004/091763호로 공개된, 발명의 명칭이 "유체 종의 형성 및 제어"인 국제 특허 출원 PCT/US2004/010903호와, 본원에서 설명되는 다른 참조 문헌에 개시되어 있다.

하나의 세트의 실시예에서, 내측 유체는 주 채널을 통해 유동하고, 외측 유체는 하나 이상의 부 채널을 통해 제1 교차부 내로 유동하고, 운반 유체는 하나 이상의 부 채널을 통해 제2 교차부 내로 유동한다. 몇몇 경우에, 외측 유체는 주 채널로의 진입 시에, 내측 유체가 분리된 액적을 형성하게 하지 않으면서 내측 유체를 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 내측 유체 및 외측 유체는 주 채널 내에서 동일 선상으로 유동할 수 있다. 외측 유체는, 몇몇 경우에, 내측 유체를 둘러싸서, 내측 유체가 유체 채널의 벽과 접촉하는 것을 방지할 수 있고; 예를 들어, 채널은 몇몇 실시예에서 외측 유체의 진입 시에 넓어질 수 있다. 몇몇 경우에, 추가의 채널이 액적 형성이 발생하게 하지 않으면서 주 채널에 추가의 유체를 보낼 수 있다. 소정의 경우에, 운반 유체가 주 채널 내로 도입되어, 내측 및 외측 유체를 둘러쌀 수 있다. 몇몇 경우에, 운반 유체의 도입은 유체가 (예컨대, 운반 유체에 의해 둘러싸이는 외측 유체에 의해 둘러싸인 내측 유체의) 분리된 액적으로 형성되게 할 수 있지만; 다른 경우에, 액적 형성은, 앞서 설명된 바와 같이, 예컨대, 운반 유체의 웨버 수를 제어함으로써, 지연될 수 있다. 운반 유체는, 몇몇 실시예에서, 내측 및/또는 외측 유체가 유체 채널의 벽과 접촉하는 것을 방지할 수 있고; 예를 들어, 채널은 운반 유체의 진입 시에 넓어질 수 있거나, 몇몇 경우에, 운반 유체는 하나를 초과하는 부 채널 및/또는 하나를 초과하는 교차부를 사용하여 추가될 수 있다.

몇몇 경우에, 3개를 초과하는 유체가 존재할 수 있다. 예를 들어, 예컨대 본원에서 설명되는 것과 같은 기술을 사용하여 형성된 미세 유체 채널 내에서 동일 선상으로 유동하는 4개, 5개, 6개, 또는 그 이상의 유체가 있을 수 있고, 몇몇 경우에, 예컨대, 3개, 4개, 5개, 6개, 또는 그 이상의 교차부, 친수성 및/또는 평균 단면 치수의 다중 변화 등을 포함하는 것이 반복적으로 사용된다. 몇몇 경우에, 이러한 유체들 중 일부 또는 전부가 분출 거동을 보일 수 있고, 예컨대, 유체들은 개별 액적으로 분해되지 않고서 분출되도록 허용될 수 있다. 예를 들어, 유체의 복수의 동일 선상 스트림이 미세 유체 채널 내에서 형성될 수 있고, 몇몇 경우에, 유체의 스트림들 중 하나 이상이 분출 거동을 보일 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예는 대체로 미세 유체 채널 내에서의 2개, 3개, 4개, 또는 그 이상의 동일 선상 유체들의 형성에 관한 것이고, 유체들 중 일부 또는 전부는 분출 거동을 보인다. 몇몇 경우에, 아래에서 설명되는 바와 같이, 이러한 유체들 중 일부 또는 전부는, 예컨대, 경질화된 스트림 또는 스레드(thread)를 생성하도록 경질화될 수 있다. 다른 실시예에서, 동일 선상으로 유동하는 유체들은 본원에서 설명되는 바와 같이, 다중 에멀션 액적을 형성하게 될 수 있다. 몇몇 경우에, 다중 에멀션 액적은, 예컨대, 다중 에멀션 액적을 생성하기 전에, 단일 또는 이중 에멀션 액적을 생성하지 않으면서, 단일 단계에서 형성될 수 있다.

3개의 분리된 교차부를 포함하는 시스템의 비제한적인 예가 도 1b에 도시되어 있다. 이러한 도면에서, 시스템(10)은 주채널(15)과 다양한 부 채널(제1 채널(20), 제2 채널(30), 제3 채널(40))과의 교차에 의해 각각 형성된 교차부(25, 35, 45)를 구비한, 미세 유체 채널일 수 있는 주 채널(15)을 포함한다. 이러한 예에서, 교차부(35)는 주 채널의 제1 부분(11) 및 제2 부분(12)을 형성하도록 사용되지만, 다른 실시예에서, 제1 및 제2 부분은 다른 방식으로, 예컨대, 주 채널 내의 다른 교차부 또는 위치에서, 형성될 수 있다. 이러한 예에서, 제2 부분(12)은 제1 부분의 평균 단면 치수보다 더 큰 평균 단면 치수를 갖는다. 몇몇 경우에, 제1 부분 및 제2 부분은 또한 상이한 친수성을 보일 수 있다. 예를 들어, 제1 부분(11)은 상대적으로 친수성일 수 있고, 제2 부분(12)은 상대적으로 소수성일 수 있고, 다양한 친수성이, 예를 들어, 본원에서 설명되는 것과 같은 졸-겔 코팅을 사용하여 제어될 수 있다.

하나의 세트의 실시예에 따르면, 내측 유체는 주 채널(15)을 통해 시스템(10)으로 전달될 수 있고, 외측 유체는 교차부(25)에서 주 채널(15)과 만나는 부 채널(20)을 통해 전달될 수 있다. 내측 및 외측 유체는, 몇몇 실시예에서, 교차부(25, 35)들 사이의 주 채널(25) 내에서 액적의 형성이 없이 동일 선상으로 유동할 수 있다. 교차부(35)에서, 외측 유체가 부 채널(30)을 거쳐 전달될 수 있다. 운반 유체는 내측 및 외측 유체를 둘러쌀 수 있어서, 몇몇 경우에, 내측 및 외측 유체가 (외측 유체가 내측 유체를 둘러싸는) 다중 에멀션 액적을 형성하게 하지만, 다른 경우에, 다양한 유체들이 액적의 형성이 없이 동일 선상으로 유동할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 채널(40)은 또한 운반 유체를 포함할 수 있고, 추가의 운반 유체의 도입은 분리된 액적의 형성이 발생하게 할 수 있다. 이러한 공정의 비제한적인 예가 오일/물/오일 다중 에멀션 액적에 대해 도 2 및 3에 도시되어 있다.

다른 세트의 실시예에서, 도 1b에 도시된 예와 같은 시스템이 사중 에멀션 액적을 형성하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 운반 유체 내에 포함된 제3 유체에 의해 둘러싸인 제2 유체에 의해 둘러싸인 제1 유체의 사중 에멀션 액적을 생성하기 위해, 채널(15)은 제1 유체를, 채널(20)은 제2 유체를, 채널(30)은 제3 유체를, 채널(40)은 운반 유체를 포함할 수 있다.

소정의 태양에서, 유체의 상대적으로 얇은 층을 포함하는 이중 또는 다중 에멀션이, 예컨대, 본원에서 설명되는 것과 같은 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 몇몇 경우에, 하나 이상의 유체가 경질화될 수 있다. 유사한 기술이 (즉, 액적 또는 에멀션을 반드시 형성하지는 않으면서) 유체의 스트림 또는 분출물을 경질화하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 유체의 동일 선상 스트림들이 아래에서 설명되는 것과 같은 유체 경질화 기술을 사용하여, 여러 겹쳐진 층들을 포함하는 겹쳐진 스레드를 포함한, 스레드를 형성하도록 경질화될 수 있다.

몇몇 경우에, 유체의 상대적으로 얇은 층은 다중 에멀션을 형성하는 다양한 유체의 유량을 제어하고 그리고/또는 형성되는 다중 에멀션 액적이 다른 유체에 비해 상대적으로 다량의 하나의 유체(예컨대, 최내측 유체)를 갖도록 웨버 수를 제어함으로써, 형성될 수 있다. 놀랍게도, 본원에서 설명되는 바와 같이 유량 및 웨버 수를 제어함으로써, 유체의 매우 얇은 "껍질"이 유체의 두께가 본질적으로 제한되는 다른 기술에서와 달리, 액적을 둘러싸서 형성될 수 있다.

하나의 세트의 실시예에서, 액적을 둘러싸는 유체 "껍질"이 2개의 계면, 제1 유체와 운반 유체 사이의 제1 계면과 제1 유체와 제2 유체 사이의 제2 계면 사이에 있는 것으로 정의될 수 있다. 계면은 약 1 mm, 약 300 마이크로미터, 약 100 마이크로미터, 약 30 마이크로미터, 약 10 마이크로미터, 약 3 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 등의 이하인 (액적에 대한 평균으로서 결정된) 평균 분리 거리를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 계면은 액적의 평균 치수에 대해 정의된 평균 분리 거리를 가질 수 있다. 예를 들어, 평균 분리 거리는 액적의 평균 치수의 약 30% 미만, 약 25% 미만, 약 20% 미만, 약 15% 미만, 약 10% 미만, 약 5% 미만, 약 3% 미만, 약 2% 미만, 또는 약 1% 미만일 수 있다.

경질화된 액적 및/또는 유체의 경질화된 스트림을 형성하는데 유용한 유체 경질화 기술의 예가 아래에서 설명되는 것과, 링크 등의 2004년 4월 9일자로 출원되어 2004년 10월 28일자로 WO 2004/091763호로서 공개된, 발명의 명칭이 "유체 종의 형성 및 제어"인 국제 특허 출원 PCT/US2004/010903호; 가르스텍키(Garstecki) 등의 2006년 3월 3일자로 출원되어 2007년 3월 8일자로 미국 특허 출원 공개 제2007/00541호로서 공개된, 발명의 명칭이 "입자를 형성하는 시스템 및 방법"인 미국 특허 출원 제11/368,263호; 또는 2007년 8월 29일자로 출원되어 2009년 5월 21일자로 미국 특허 출원 공개 제2009/0131543호로서 공개된, 발명의 명칭이 "다중 에멀션을 형성하기 위한 방법 및 장치"인 미국 특허 출원 제11/885,306호에 개시되어 있는 것을 포함하고, 이들 각각은 본원에서 참조로 통합되었다.

따라서, 본 발명의 하나의 세트의 실시예에서, 이중 에멀션, 즉, 내측 유체 액적을 내부에 포함하는 외측 유체 액적을 포함하는 운반 유체가 생성된다. 몇몇 경우에, 운반 유체 및 내측 유체는 동일할 수 있다. 이러한 유체는 흔히 소수성의 차이로 인해 가변 혼합성이다. 예를 들어, 제1 유체는 수성일 수 있고, 제2 유체는 유성일 수 있고, 운반 유체는 수성일 수 있다. 이러한 배열은 흔히 w/o/w 다중 에멀션("물/오일/물")으로 지칭된다. 다른 다중 에멀션은 유성인 제1 유체, 수성인 제2 유체, 및 유성인 운반 유체를 포함할 수 있다. 이러한 유형의 다중 에멀션은 흔히 o/w/o("오일/물/오일") 다중 에멀션으로 지칭된다. 상기 용어 중 "오일"이라는 용어는 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 단순히 대체로 더 소수성이며 물 속에서 혼합 가능하지 않은 유체를 지칭함을 알아야 한다. 따라서, 오일은 몇몇 실시예에서 탄화수소일 수 있지만, 다른 실시예에서, 오일은 다른 소수성 유체를 포함할 수 있다. 물은 순수할 필요가 없고; 이는 수용액, 예를 들어, 완충액, 용해된 염을 함유하는 용액 등일 수 있음을 또한 이해하여야 한다.

더 구체적으로, 본원에서 사용되는 바와 같이, 2개의 유체는 하나가 에멀션이 생성되는 온도 및 조건 하에서 적어도 10 중량%의 수준으로 다른 하나 내에서 용해 가능하지 않을 때, 서로 혼합 불가능하거나 혼합 가능하지 않다. 예를 들어, 2개의 유체는 유체 액적의 형성의 기간 내에 혼합 불가능하도록 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다중 에멀션을 형성하기 위해 사용되는 유체들은 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 2개 이상의 유체가 다중 에멀션을 생성하기 위해 사용될 수 있고, 소정의 경우에, 이러한 유체들 중 일부 또는 전부가 혼합 불가능할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다중 에멀션을 형성하기 위해 사용되는 2개의 유체가 양립 가능하거나 혼합 가능하고, 2개의 유체들 사이에 포함된 중간 유체는 이들 2개의 유체와 양립 불가능하거나 혼합 불가능하다. 그러나, 다른 실시예에서, 모든 3개의 유체가 상호 혼합 불가능할 수 있고, 소정의 경우에, 모든 유체가 반드시 수성일 필요는 없다.

2개를 초과하는 유체들이 본 발명의 다른 실시예에서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 소정의 실시예는 대체로, 몇몇 경우에 훨씬 더 작은 액적을 내부에 포함할 수 있는 하나 이상의 더 작은 액적을 내부에 포함하는 더 큰 유체 액적을 포함하는, 다중 에멀션에 관한 것이다. 임의의 개수의 겹쳐진 유체들이 생성될 수 있고, 따라서, 추가의 제3, 제4, 제5, 제6 등의 유체가 본 발명의 몇몇 실시예에서 추가되어, 액적 내에서 증가하는 복합 액적을 생성할 수 있다. 이러한 액적들 중 전부가 반드시 구별 가능할 필요는 없음을 이해하여야 하고; 예를 들어, 오일/물/오일/물 또는 물/오일/물/오일을 포함하는 사중 에멀션이 준비될 수 있고, 여기서 2개의 유상은 동일한 조성을 갖고 그리고/또는 2개의 수상은 동일한 조성을 갖는다.

하나의 세트의 실시예에서, 단분산 에멀션이, 예컨대 위에서 기술된 바와 같이 생성될 수 있다. 유체 액적의 형상 및/또는 크기는, 예를 들어, 액적의 평균 직경 또는 다른 특징적인 치수를 측정함으로써, 결정될 수 있다. 복수의 또는 일련의 액적의 "평균 직경"은 각각의 액적의 평균 직경의 대수 평균이다. 본 기술 분야의 당업자는, 예를 들어, 레이저 광 산란, 현미경 검사, 또는 다른 공지된 기술을 사용하여, 복수의 또는 일련의 액적의 평균 직경 (또는 다른 특징적인 치수)를 결정할 수 있을 것이다. 비구형 액적 내의 단일 액적의 평균 직경은 비구형 액적과 동일한 체적을 갖는 완벽한 구의 직경이다. 액적 (및/또는 복수의 또는 일련의 액적들)의 평균 직경은 몇몇 경우에, 예를 들어, 약 1 mm 미만, 약 500 마이크로미터 미만, 약 200 마이크로미터 미만, 약 100 마이크로미터 미만, 약 75 마이크로미터 미만, 약 50 마이크로미터 미만, 약 25 마이크로미터 미만, 약 10 마이크로미터 미만, 또는 약 5 마이크로미터 미만일 수 있다. 평균 직경은 또한 소정의 경우에 적어도 약 1 마이크로미터, 적어도 약 2 마이크로미터, 적어도 약 3 마이크로미터, 적어도 약 5 마이크로미터, 적어도 약 10 마이크로미터, 적어도 약 15 마이크로미터, 또는 적어도 약 20 마이크로미터일 수 있다.

"결정(determining)"이라는 용어는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 대체로 예를 들어 종의 정량적 또는 정성적 분석 또는 측정, 및/또는 종의 존재 또는 부재의 검출을 지칭한다. "결정"은 또한 2개의 이상의 종들 사이의 상호 작용의 예를 들어 정량적 또는 정성적, 또는 상호 작용의 존재 또는 부재를 검출함으로써의 분석 또는 검출을 지칭할 수 있다. 적합한 기술의 예는 적외선, 흡수, 형광, UV/가시광, FTIR("푸리에 변환 적외선 분광 분석"), 또는 라만(Raman)과 같은 분광 분석; 중량 분석 기술; 타원 계측; 압전 측정; 면역 검정; 전기 화학적 측정; 광학 밀도 측정과 같은 광학 측정; 원평광 이색법; 준전기적 광 산란과 같은 광 산란 측정; 편광 분석; 굴절 분석; 또는 탁도 측정을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.

액적의 생성 속도는 많은 조건 하에서, 대략 100 Hz와 5,000 Hz 사이에서 변할 수 있는, 액적 형성 주파수에 의해 결정될 수 있다. 몇몇 경우에, 액적 생성의 속도는 적어도 약 200 Hz, 적어도 약 300 Hz, 적어도 약 500 Hz, 적어도 약 750 Hz, 적어도 약 1,000 Hz, 적어도 약 2,000 Hz, 적어도 약 3,000 Hz, 적어도 약 4,000 Hz, 또는 적어도 약 5,000 Hz 등일 수 있다. 또한, 다량의 액적의 생성은 몇몇 경우에 복수의 장치의 병렬 사용에 의해 용이해질 수 있다. 몇몇 경우에, 상대적으로 많은 수의 장치가 병렬로 사용될 수 있고, 예를 들어 적어도 약 10개의 장치, 적어도 약 30개의 장치, 적어도 약 50개의 장치, 적어도 약 75개의 장치, 적어도 약 100개의 장치, 적어도 약 200개의 장치, 적어도 약 300개의 장치, 적어도 약 500개의 장치, 적어도 약 750개의 장치, 적어도 약 1,000개의 장치 또는 그 이상이 병렬로 작동될 수 있다. 장치들은 상이한 채널, 오리피스, 미세 유체 소자 등을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 그러한 장치들의 어레이는 장치들을 수평으로 그리고/또는 수직으로 적층함으로써 형성될 수 있다. 장치들은 공통으로 제어되거나 분리되어 제어될 수 있고, 용도에 의존하여, 공통 또는 분리된 유체 공급원을 구비할 수 있다. 그러한 시스템의 예는 또한 본원에서 참조로 통합된 로마노브스키(Romanowsky) 등의 2009년 3월 13일자로 출원된 발명의 명칭이 "미세 유체 장치의 규모 확장"인 미국 가특허 출원 제61/160,184호에 설명되어 있다.

유체는 액적이 그의 주변에 대해 이산되어 유지되도록 선택될 수 있다. 비제한적인 예로서, 제2 유체 액적을 포함하는 제1 유체 액적을 포함하는 운반 유체를 갖는 유체 액적이 생성될 수 있다. 몇몇 경우에, 운반 유체 및 제2 유체는 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있지만, 다른 경우에, 운반 유체, 제1 유체, 및 제2 유체는 본질적으로 상호 혼합 불가능하도록 선택될 수 있다. 3개의 본질적으로 상호 혼합 불가능한 유체를 포함하는 계의 하나의 비제한적인 예는 실리콘 오일, 광유, 및 수용액(즉, 물, 또는 내부에 용해 및/또는 현탁된 하나 이상의 다른 종을 포함하는 물, 예를 들어, 염 용액, 생리식염수, 입자 또는 세포를 포함하는 물의 현탁액 등)이다. 계의 다른 예는 실리콘 오일, 플루오르화탄소 오일, 및 수용액이다. 계의 또 다른 예는 수소화탄소 오일(예컨대, 헥사데케인), 플루오르화탄소 오일, 및 수용액이다. 적합한 플루오르화탄소 오일의 비제한적인 예는 HFE7500, 옥타데카플루오로데카하이드로나프탈렌:

또는 1-(1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6-운데카플루오로사이클로헥실)에탄올:

을 포함한다.

본원의 설명에서, 다중 에멀션은 흔히, 즉 외측 또는 운반 유체, 제1 유체, 및 제2 유체를 갖는 3상계를 참조하여 설명된다. 그러나, 이는 단지 예시적이며, 다른 계에서, 추가의 유체가 다중 에멀션 액적 내에 존재할 수 있음을 알아야 한다. 따라서, 운반 유체, 제1 유체, 및 제2 유체와 같은 설명은 설명을 용이하게 하고, 본원의 설명은 추가의 유체, 예컨대 사중 에멀션, 오중 에멀션, 육중 에멀션, 칠중 에멀션 등을 포함하는 계로 쉽게 확장 가능함을 이해하여야 한다.

유체 점성이 액적 형성에 영향을 줄 수 있으므로, 몇몇 경우에, 유체 액적 내의 유체들 중 임의의 하나의 점성은 점성을 조정하는데 있어서 보조할 수 있는 희석제와 같은 성분을 추가 또는 제거함으로써 조정될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 제1 유체 및 제2 유체의 점성은 동일하거나 실질적으로 동일하다. 이는, 예를 들어, 제1 및 제2 유체 내에서의 액적 형성의 동등한 주파수 또는 속도에 있어서 보조할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 유체의 점성은 제2 유체의 점성과 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있고, 그리고/또는 제1 유체의 점성은 운반 유체의 점성과 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 운반 유체는 제1 유체와 실질적으로 상이한 점성을 보일 수 있다. 점성의 실질적인 차이는 2개의 유체들 사이의 점성의 차이가 통계학적으로 유의하게 측정될 수 있음을 의미한다. 액적 내의 유체 점성의 다른 분포가 또한 가능하다. 예를 들어, 제2 유체는 제1 유체의 점성보다 더 크거나 더 낮은 점성을 가질 수 있고 (즉, 2개의 유체들의 점성은 실질적으로 상이할 수 있고), 제1 유체는 운반 유체의 점성보다 더 크거나 더 낮은 점성을 가질 수 있다. 예컨대 4개, 5개, 6개, 또는 그 이상의 유체를 포함하는 고차 액적에서, 점성은 특정 용도에 의존하여, 원하는 대로 독립적으로 선택될 수도 있음을 또한 알아야 한다.

본 발명의 소정의 실시예에서, 유체 액적 (또는 그의 일부)는 추가의 독립체 또는 종, 예를 들어, (예컨대, 유체 내에 용해 또는 현탁된) 다른 화학적, 생화학적 또는 생리학적 독립체, 세포, 입자, 기체, 분자, 약제, 약물, DNA, RNA, 단백질, 향료, 반응제, 항생제, 항진균제, 보존제, 화학 물질 등을 포함할 수 있다. 세포가, 예를 들어, 유체 에멀션 내에 현탁될 수 있다. 따라서, 종은 에멀션의 임의의 부분 내에 포함될 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 종은 임의의 유체 액적 내에, 예를 들어, 내측 액적 내에, 외측 액적 내에 존재할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 세포 및/또는 하나 이상의 세포 유형이 액적 내에 포함될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 유체 액적 또는 그의 일부는 고화될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 경질화된 껍질이 고화 또는 겔화될 수 있는 내측 유체를 둘러싸는 외측 유체를 사용함으로써와 같이, 내측 액적 둘레에 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 캡슐이 일관되고 반복적인 크기의 내측 액적 및 일관되고 반복적인 크기의 외측 껍질을 구비하여 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이는 외측 유체 내에서의 상 변화에 의해 달성될 수 있다. "상 변화" 유체는, 예컨대 액체로부터 고체로 상을 변화시킬 수 있는 유체이다. 상 변화는, 예를 들어, 온도 변화에 의해 개시될 수 있고, 몇몇 경우에, 상 변화는 가역적이다. 예를 들어, 왁스 또는 겔이 왁스 또는 겔을 유체로 유지하는 온도에서 유체로서 사용될 수 있다. 냉각 시에, 왁스 또는 겔은 고체 또는 반고체 껍질을 형성하여, 예컨대 캡슐을 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, 껍질은 외측 유체 액적을 중합시킴으로써 형성될 수 있다. 이는 고체 중합체 껍질을 형성하기 위해, 예를 들어, 화학적으로, 열에 의해, 또는 전자기 방사선(예컨대, 자외 방사선)에 의해, 촉매화될 수 있는 프리폴리머 또는 단량체를 사용하는 것을 포함한, 다수의 방식으로 달성될 수 있다.

유체 액적을 고체 입자로 고화시킬 수 있는 임의의 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유체 액적 또는 그의 일부는 유체 액적 내의 유체의 융점 또는 유리 전이 온도 아래의 온도로 냉각될 수 있고, 유체가 고화되게 하는 화학 반응(예를 들어, 중합 반응, 고체 생성물을 생성하는 2개의 유체들 사이의 반응 등) 등이 유도될 수 있다.

일 실시예에서, 유체 액적 또는 그의 일부는 유체 액적의 구성요소들 중 적어도 하나가 고체 상태에 도달하게 하는 온도로 유체 액적의 온도를 감소시킴으로써 고화된다. 예를 들어, 유체 액적은 유체 액적의 구성요소의 융점 또는 유리 전이 온도 아래의 온도로 유체 액적을 냉각시켜서, 유체 액적이 고체가 되게 함으로써 고화될 수 있다. 비제한적인 예로서, 유체 액적은 (즉, 실온, 약 25℃ 위의) 상승된 온도에서 형성되고, 그 다음 예컨대 실온으로 또는 실온 아래의 온도로 냉각될 수 있고; 유체 액적은 실온에서 형성되고, 그 다음 실온 아래의 온도로 냉각될 수 있다.

몇몇 경우에, 유체 액적은 졸 상태로부터 겔 상태로의 재료의 변환이 유체 액적이 고화되게 하도록, 졸 상태 및 겔 상태를 갖는 재료를 포함할 수 있다. 유체 액적 내의 재료의 졸 상태의 겔 상태로의 변환은, 예를 들어, 유체 액적을 냉각시킴으로써, 액적 내에서 중합 반응을 개시함으로써 등에 의해, 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 임의의 기술을 통해 달성될 수 있다. 예를 들어, 재료가 한천을 포함하면, 한천을 포함하는 유체 액적은 한천의 겔화 온도 위의 온도에서 생성된 다음, 이후에 냉각되어, 한천이 겔 상태로 들어가게 할 수 있다. 다른 예로서, 유체 액적이 (예컨대, 유체 액적 내에 용해된) 아크릴아마이드를 포함하면, 아크릴아마이드는 (예컨대, APS 및 테트라메틸에틸렌다이아민을 사용하여) 중합되어, 폴리아크릴아마이드를 포함하는 중합체 입자를 생성할 수 있다.

다른 실시예에서, 유체 액적 또는 그의 일부는 유체의 고화가 발생하게 하는 화학 반응을 사용하여 고화된다. 예를 들어, 유체 액적에 첨가되는 2개 이상의 유체가 고체 생성물을 생성하도록 반응하여, 고체 입자의 형성을 일으킬 수 있다. 다른 예로서, 유체 액적 내의 제1 반응물이 유체 액적을 둘러싸는 액체 내의 제2 반응물과 반응하여 고체를 생성할 수 있고, 이는 따라서 몇몇 경우에 고체 "껍질" 내에 유체 액적을 코팅할 수 있어서, 고체 껍질 또는 외부, 및 유체 코어 또는 내부를 갖는 코어/껍질 입자를 형성한다. 또 다른 예로서, 중합 반응이 유체 액적 내에서 개시되어, 중합체 입자의 형성을 일으킬 수 있다. 예를 들어, 유체 액적은 고체인 중합체를 형성하도록 중합될 수 있는, (예컨대, 유체 액적 내에 용해 및/또는 현탁된) 하나 이상의 단량체 또는 소중합체 전구체를 포함할 수 있다. 중합 반응은 즉각적으로 발생하거나, 소정의 방식으로, 예컨대 유체 액적의 형성 중에 또는 유체 액적이 형성된 후에 개시될 수 있다. 예를 들어, 중합 반응은 유체 액적에 개시제를 첨가함으로써, (예컨대, 광중합 반응을 개시하기 위해) 유체 액적에 광 또는 다른 전자기 에너지를 인가함으로써 등에 의해 개시될 수 있다.

고화 반응의 비제한적인 예는, 예를 들어, 다이아실 클로라이드 및 다이아민으로부터의 나일론(예컨대, 폴리아마이드)의 생성을 포함하는 중합 반응이다. 본 기술 분야의 당업자는 다양한 적합한 나일론 생성 기술을 알 것이다. 예를 들어, 나일론-6,6이 아디포일 클로라이드 및 1,6-다이아미노헥세인을 반응시킴으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 유체 액적은 유체 액적의 표면에서 나일론-6,6을 형성하도록 반응할 수 있는, 유체 액적 내의 1,6-다이아미노헥세인과 연속상의 아디포일 클로라이드를 반응시킴으로써 고화될 수 있다. 반응 조건에 의존하여, 나일론-6,6은 (고체 외부 및 유체 내부를 갖는 입자를 형성하는) 유체 액적의 표면에서 또는 (고체 입자를 형성하는) 유체 액적 내에서 생성될 수 있다.

설명되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 태양에서, 다중 에멀션은 다양한 도관 또는 채널을 통해 2개, 3개, 또는 그 이상의 유체를 유동시킴으로써 형성된다. 채널들 중 하나 이상 (또는 전부)가 미세 유체적일 수 있다. 본원에서 사용되는 "미세 유체적(microfluidic)"은 약 1 밀리미터(mm) 미만의 단면 치수 및 몇몇 경우에 적어도 3:1의 길이 대 최대 단면 치수의 비율을 갖는 적어도 하나의 유체 채널을 포함하는 기기, 장치, 또는 시스템을 지칭한다. 시스템의 하나 이상의 채널이 모세관 튜브일 수 있다. 몇몇 경우에, 복수의 채널이 제공된다. 채널들은 미세 유체 크기 범위 내에 있을 수 있고, 예를 들어, 약 1 밀리미터 미만, 약 300 마이크로미터 미만, 약 100 마이크로미터 미만, 약 30 마이크로미터 미만, 약 10 마이크로미터 미만, 약 3 마이크로미터 미만, 또는 약 1 마이크로미터 미만의 평균 내경 또는 내경을 갖는 부분을 가질 수 있어서, 비교할 만한 평균 직경을 갖는 액적을 제공한다. 채널들 중 하나 이상은 단면에서, 동일한 지점에서 폭과 실질적으로 동일한 높이를 가질 수 있지만 (필수적이지는 않다). 단면에서, 채널은 직사각형, 또는 원형 또는 타원형과 같은 실질적인 비직사각형일 수 있다.

미세 유체 채널은 임의의 적합한 시스템 내에 배열될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 주 채널은 상대적으로 직선일 수 있지만, 다른 실시예에서, 주 채널은 만곡되거나, 각도를 이루거나, 구부러지거나, 다른 형상을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 미세 유체 채널들은 2차원 패턴으로, 즉 미세 유체 채널들이 내부의 유체들이 예컨대 교차부에서 서로 물리적으로 접촉하지 않고서는 서로를 횡단하지 않도록, 미세 유체 채널들의 위치가 2차원으로 설명될 수 있도록, 배열될 수 있다. 당연히, 그러한 채널은 채널들의 평면 어레이로서 (즉, 채널들의 준 2차원 어레이로) 나타나지만, 진정한 2차원은 아니고, 길이, 폭 및 높이를 갖는다. 대조적으로, 예를 들어, "튜브 내 튜브" 구성이 2개의 미세 유체 채널들 내의 유체들이 2차원으로 서로 물리적으로 접촉하는 것으로 보이지만, 서로 물리적으로 접촉하지 않는, 적어도 하나의 위치가 있으므로, 준 2차원이 아니다.

본원에서 사용되는 "채널"은, 유체의 유동을 적어도 부분적으로 유도하는 물품(기판) 상의 또는 그 안의 특징부를 의미한다. 채널은 임의의 단면 형상(원형, 타원형, 삼각형, 불규칙, 정사각형 또는 직사각형 등)을 가질 수 있고, 덮이거나 덮이지 않을 수 있다. 그가 완전히 덮이는 실시예에서, 채널의 적어도 일 부분은 완전히 에워싸인 단면을 가질 수 있거나, 전체 채널은 그의 입구(들) 및/또는 출구(들)을 제외하고 그의 전체 길이를 따라 완전히 에워싸일 수 있다. 채널은 또한 적어도 2:1, 더 전형적으로 적어도 3:1, 5:1, 10:1, 15:1, 20:1 또는 그 이상의 종횡비(길이 대 평균 단면 치수)를 가질 수 있다. 개방 채널이 대체로 유체 운반에 대한 제어를 용이하게 하는 특징, 예컨대, 유체 상에 힘(예컨대, 구속력)을 가할 수 있는 구조적 특징(신장된 만입부) 및/또는 물리적 또는 화학적 특징(소수성 대 친수성) 또는 다른 특징을 포함할 것이다. 채널 내의 유체는 채널을 부분적으로 또는 완전히 충전할 수 있다. 개방 채널이 사용되는 몇몇 경우에, 유체는, 예를 들어, 표면 장력 (즉, 오목 또는 볼록 메니스커스)를 사용하여, 채널 내에 유지될 수 있다.

채널은, 예를 들어, 약 5 mm 또는 2 mm 미만, 또는 약 1 mm 미만, 또는 약 500 미크론 미만, 약 200 미크론 미만, 약 100 미크론 미만, 약 60 미크론 미만, 약 50 미크론 미만, 약 40 미크론 미만, 약 30 미크론 미만, 약 25 미크론 미만, 약 10 미크론 미만, 약 3 미크론 미만, 약 1 미크론 미만, 약 300 nm 미만, 약 100 nm 미만, 약 30 nm 미만, 또는 약 10 nm 미만의 유체 유동에 대해 직교하는 최대 치수를 갖는 임의의 크기일 수 있다. 몇몇 경우에, 채널의 치수는 유체가 물품 또는 기판을 통해 자유롭게 유동할 수 있도록 선택될 수 있다. 채널의 치수는 또한, 예를 들어, 채널 내에서의 유체의 소정의 체적 또는 선형 유량을 허용하도록 선택될 수 있다. 당연히, 채널의 개수 및 채널의 형상은 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 임의의 방법에 의해 변할 수 있다. 몇몇 경우에, 1개를 초과하는 채널 또는 모세관이 사용될 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 채널이 사용될 수 있고, 이들은 서로의 내부에 위치되거나, 서로 인접하여 위치되거나, 서로 교차하도록 위치된다.

설명되는 바와 같이, 본원에서 설명되는 것과 같은 다중 에멀션은 (전부는 아니지만) 일부 실시예에 따라, 다중 에멀션을 형성하기 위해 사용되는 채널의 친수성 및/또는 소수성을 제어함으로써 준비될 수 있다. 친수성 및/또는 소수성을 제어하기 위한 채널 상의 코팅에 대해 적합한 재료의 예는 패럴린, 비톤(Viton)(FKM 불소탄성중합체, 듀폰(DuPont)), 사이톱(CYTOP) 809A(시그마 알드리히(Sigma Aldrich)), 켐라즈(Chemraz)(퍼플루오리네이티드 탄성중합체, 플루이다임 코포레이션(Fluidigm Corporation)으로부터 구입 가능함), 테플론(Teflon) AF(폴리테트라플루오로에틸렌), 테트라플루오로메테인(CF₄) 플라즈마 처리, 플루오리네이티드 트라이클로로실레인(예컨대, F(CF₂)_y(CH₂)_xSiCl₃)과 같은 불소중합체 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 그러한 재료는 또한, 몇몇 경우에, (예컨대, 미코팅 또는 미처리 채널에 비해) 화학적 저항을 증가시킬 수 있다. 또한, 재료의 친수성 및/또는 소수성은 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 일상적인 기술, 예를 들어, (예컨대, 산소 함유 플라즈마에 의한) 플라즈마 산화, 산화제, 강산 또는 강염기 등을 사용하여 변경될 수 있다.

하나의 세트의 실시예에서, 채널의 친수성 및/또는 소수성은 채널의 적어도 일 부분 상으로 졸-겔을 코팅함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상대적인 친수성 및 상대적인 소수성 부분들이 채널 표면에 졸-겔을 도포함으로써 생성될 수 있고, 이는 채널 표면을 상대적으로 소수성으로 만든다. 졸-겔은 광개시제와 같은 개시제를 포함할 수 있다. 부분(예컨대, 채널 및/또는 채널의 일부)은 친수성 모이어티(예를 들어, 아크릴산)을 포함하는 용액으로 채널을 충전하고, 부분을 개시제에 대해 적합한 트리거(예를 들어, 광개시제의 경우에 광 또는 자외광)에 노출시킴으로써 상대적으로 친수성으로 될 수 있다. 예를 들어, 부분들은 반응이 필요치 않은 부분을 차폐하기 위한 마스크를 사용함으로써, 반응이 필요한 부분 상으로 광 또는 열의 포커싱된 빔을 지향시킴으로써 등에 의해, 노광될 수 있다. 노광된 부분 내에서, 개시제는 (예를 들어, 상기 예에서 폴리(아크릴산)이 졸-겔 코팅의 표면 상으로 이식되게 함으로써) 친수성 모이어티의 졸-겔로의 반응(예컨대, 중합)을 일으켜서, 그러한 부분을 상대적으로 친수성으로 만들 수 있다.

본 기술 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이, 졸-겔은 졸 또는 겔 상태일 수 있는 재료이고, 전형적으로 중합체를 포함한다. 겔 상태는 전형적으로 액체상을 포함하는 중합체 네트워크를 포함하고, 예컨대, 건조 또는 가열 기술에 의해, 졸로부터 용제를 제거함으로써 졸 상태로부터 생성될 수 있다. 몇몇 경우에, 아래에서 설명되는 바와 같이, 졸은, 예를 들어, 일정 중합이 졸 내에서 발생하게 함으로써, 사용되기 전에 전처리될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 졸-겔 코팅은, 예를 들어, 소정의 소수성을 갖는 소정의 특성을 갖도록 선택될 수 있다. 코팅의 특성은 아래에서 설명되는 바와 같이, (예를 들어, 졸-겔 내에서 소정의 재료 또는 중합체를 사용함으로써) 졸-겔의 조성을 제어함으로써, 그리고/또는 코팅을 변형시킴으로써, 예를 들어 중합체를 졸-겔 코팅으로 반응시키기 위해 코팅을 중합 반응에 노출시킴으로써, 제어될 수 있다.

예를 들어, 졸-겔 코팅은 졸-겔 내에 소수성 중합체를 통합시킴으로써 더 소수성으로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 졸-겔은 하나 이상의 실레인, 예를 들어 헵타데카플루오로실레인과 같은 플루오로실레인 (즉, 적어도 하나의 불소 원자를 포함하는 실레인), 또는 메틸트라이에톡시 실레인(MTES) 또는 옥타데실실레인 또는 다른 CH₃(CH₂)_n-실레인(n은 임의의 적합한 정수일 수 있음)과 같은 하나 이상의 지방 사슬을 포함하는 실레인을 포함할 수 있다. 예를 들어, n은 1, 5, 또는 10 초과, 약 20, 25 또는 30 미만일 수 있다. 실레인은 또한 알콕사이드기, 예를 들어, 옥타데실트라이메톡시실레인과 같은 다른 기를 선택적으로 포함할 수 있다. 대체로, 대부분의 실레인은 졸-겔 내에서 사용될 수 있고, 특정 실레인은 소수성과 같은 원하는 특성에 기초하여 선택된다. (예컨대, 더 짧거나 더 긴 사슬 길이를 갖는) 다른 실레인이 또한 원하는 상대 소수성 또는 친수성과 같은 인자에 의존하여, 본 발명의 다른 실시예에서 선택될 수 있다. 몇몇 경우에, 실레인은 다른 기, 예를 들어, 졸-겔을 더 친수성으로 만드는 아민과 같은 기를 포함할 수 있다. 비제한적인 예는 다이아민 실레인, 트라이아민 실레인, 또는 N-[3-(트라이메톡시실릴)프로필]에틸렌 다이아민 실레인을 포함한다. 실레인은 졸-겔 내에서 소중합체 또는 중합체를 형성하도록 반응될 수 있고, 중합의 정도(예컨대, 소중합체 또는 중합체의 길이)는 반응 조건을 제어함으로써, 예를 들어 온도, 존재하는 산의 양 등을 제어함으로써, 제어될 수 있다. 몇몇 경우에, 1개를 초과하는 실레인이 졸-겔 내에 존재할 수 있다. 예를 들어, 졸-겔은 결과적인 졸-겔이 더 큰 소수성을 보이게 하기 위한 플루오로실레인, 및 중합체의 생성을 용이하게 하는 다른 실레인 (또는 다른 화합물)을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 중합을 용이하게 하기 위한 SiO₂ 화합물을 생성할 수 있는 재료, 예를 들어, TEOS(테트라에틸 오쏘실리케이트)가 존재할 수 있다.

졸-겔은 실레인만을 포함하는 것으로 제한되지 않고, 다른 재료가 실레인에 추가하여 또는 그 대신에 존재할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 코팅은 SiO₂, 바나디아(V₂O₅), 티타니아(TiO₂), 및/또는 알루미나(Al₂O₃)와 같은 하나 이상의 금속 산화물을 포함할 수 있다.

몇몇 경우에, 미세 유체 채널은 졸-겔을 수납하기에 적합한 재료, 예를 들어, 유리, 금속 산화물, 또는 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 및 다른 실록세인 중합체와 같은 중합체 내에 존재한다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 미세 유체 채널은 규소 원자를 포함하는 것일 수 있고, 소정의 경우에, 미세 유체 채널은 그가 실라놀(Si-OH)기를 포함하도록 선택될 수 있거나, 실라놀기를 갖도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 미세 유체 채널은 미세 유체 채널 상에서의 실라놀기의 형성을 일으키는 산소 플라즈마, 산화제, 또는 강산에 노출될 수 있다.

졸-겔은 미세 유체 채널 상의 코팅으로서 존재할 수 있고, 코팅은 임의의 적합한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 코팅은 약 100 마이크로미터 이하, 약 30 마이크로미터 이하, 약 10 마이크로미터 이하, 약 3 마이크로미터 이하, 또는 약 1 마이크로미터 이하의 두께를 가질 수 있다. 더 두꺼운 코팅이 몇몇 경우에, 예를 들어, 더 높은 화학적 저항이 필요한 용도에서 바람직할 수 있다. 그러나, 더 얇은 코팅은 다른 용도에서, 예를 들어, 상대적으로 작은 미세 유체 채널 내에서 바람직할 수 있다.

하나의 세트의 실시예에서, 졸-겔 코팅의 소수성은, 예를 들어, 졸-겔 코팅의 제1 부분이 상대적으로 소수성이고, 졸-겔 코팅의 제2 부분이 상대적으로 친수성이도록, 제어될 수 있다. 코팅의 소수성은 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 기술을 사용하여, 예를 들어, 본원에서 설명되는 것과 같은 접촉각 측정을 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 미세 유체 채널의 제1 부분은 물보다 유기 용제를 선호하는 소수성을 가질 수 있고, 제2 부분은 유기 용제보다 물을 선호하는 소수성을 가질 수 있다.

졸-겔 코팅의 소수성은, 예를 들어, 중합체를 졸-겔 코팅으로 반응시키기 위해 졸-겔 코팅의 적어도 일 부분을 중합 반응에 노출시킴으로써 변형될 수 있다. 졸-겔 코팅으로 반응되는 중합체는 임의의 적합한 중합체일 수 있고, 소정의 소수성 특성을 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 중합체는 미세 유체 채널 및/또는 졸-겔 코팅보다 더 소수성이거나 더 친수성이도록 선택될 수 있다. 일례로서, 사용될 수 있는 친수성 중합체는 폴리(아클릴산)이다.

중합체는 (예컨대, 용액 내의) 졸-겔 코팅에 단량체 (또는 소중합체) 형태의 중합체를 공급하고, 단량체와 졸-겔 사이에서 중합 반응이 발생하게 함으로써, 졸-겔 코팅에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 자유 라디칼 중합이 중합체의 졸-겔 코팅에 대한 결합을 일으키도록 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자유 라디칼 중합과 같은 반응이 광에 대한 노출 시에 (예컨대, 분자 개열에 의해) 자유 라디칼을 생성할 수 있는 광개시제의 존재 시에 선택적으로, 자외(UV) 광과 같은, 열 및/또는 광에 반응물을 노출시킴으로써 개시될 수 있다. 본 기술 분야의 당업자는 많은 그러한 광개시제를 인지할 것이고, 그중 많은 것이 이르가큐어(Irgacur) 2959(시바 스페셜티 케미컬즈(Ciba Specialty Chemicals)) 또는 2-하이드록시-4-(3-트라이에톡시실릴프로폭시)-다이페닐케톤(SIH6200.0, 아베체아르 게엠베하 & 코. 카게(ABCR GmbH &Co. KG))와 같이 상업적으로 구입 가능하다.

광개시제는 졸-겔 코팅에 첨가된 중합체에서 포함될 수 있거나, 몇몇 경우에, 광개시제는 졸-겔 코팅 내에 존재할 수 있다. 예를 들어, 광개시제가 졸-겔 코팅 내에 포함되어, 광에 대한 노출 시에 활성화될 수 있다. 광개시제는 또한 졸-겔 코팅의 성분, 예를 들어 실레인에 포합 또는 결합될 수 있다. 일례로서, 이르가큐어 2959와 같은 광개시제가 우레탄 결합에 의해 실레인-아이소시아네이트에 포합될 수 있고, 여기서 광개시제 상의 1차 알코올이 아이소시아네이트기와의 친핵성 첨가에 참여할 수 있고, 이는 우레탄 결합을 생성할 수 있다.

졸-겔 코팅의 일 부분만이 본 발명의 몇몇 실시예에서, 중합체와 반응할 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 단량체 및/또는 광개시제가 미세 유체 채널의 일 부분에만 노출될 수 있거나, 중합 반응은 미세 유체 채널의 일 부분 내에서만 개시될 수 있다. 특정 예로서, 미세 유체 채널의 일 부분은 광에 노출될 수 있고, 다른 부분은, 예를 들어 마스크 또는 필터의 사용에 의해 또는 광의 포커싱된 빔을 사용함으로써, 광에 노출되는 것이 방지된다. 따라서, 미세 유체 채널의 상이한 부분들은 중합이 미세 유체 채널 상의 모든 곳에서 발생하지는 않으므로, 상이한 소수성을 보일 수 있다. 다른 예로서, 미세 유체 채널은 미세 유체 채널 상으로 노광 패턴의 축소된 이미지를 투사함으로써 UV 광에 노출될 수 있다. 몇몇 경우에, 작은 해상도(예컨대, 1 마이크로미터 이하)가 투사 기술에 의해 달성될 수 있다.

본 발명의 다른 태양은 대체로 미세 유체 채널의 적어도 일 부분 상으로 그러한 졸-겔을 코팅하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 하나의 세트의 실시예에서, 미세 유체 채널은 졸에 노출되고, 이는 그 다음 졸-겔 코팅을 형성하도록 처리된다. 몇몇 경우에, 졸은 또한 부분 중합이 발생하게 하도록 전처리될 수 있다. 과잉의 졸-겔 코팅이 미세 유체 채널으로부터 선택적으로 제거될 수 있다. 몇몇 경우에, 설명되는 바와 같이, 코팅의 일 부분은, 예를 들어, 단량체 및/또는 소중합체를 포함하는 용액에 코팅을 노출시키고, 단량체 및/또는 소중합체의 중합이 코팅에서 발생하게 함으로써, 그의 소수성 (또는 다른 특성)을 변경하도록 처리될 수 있다.

졸은 위에서 설명된 것을 포함하여 광개시제와 같은 다른 화합물을 또한 포함할 수 있는 용제 내에 포함될 수 있다. 몇몇 경우에, 졸은 또한 하나 이상의 실레인 화합물을 포함할 수 있다. 졸은 임의의 적합한 기술을 사용하여, 예를 들어, 열과 같은 화학적 또는 물리적 기술을 사용하여 용제를 제거함으로써 겔을 형성하도록 처리될 수 있다. 예를 들어, 졸은 적어도 약 150℃, 적어도 약 200℃, 또는 적어도 약 250℃의 온도에 노출될 수 있고, 이는 용제의 적어도 일부를 축출하거나 기화시키도록 사용될 수 있다. 특정 예로서, 졸은 적어도 약 200℃ 또는 적어도 약 250℃의 온도에 도달하도록 설정된 열판에 노출될 수 있고, 열판에 대한 졸의 노출은 용제의 적어도 일부가 축출되거나 기화되게 할 수 있다. 그러나, 몇몇 경우에, 졸-겔 반응은 열의 부재시에도, 예컨대, 실온에서 진행할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 졸은 잠시(예컨대, 약 1시간, 약 1일 등) 동안 방치될 수 있고, 그리고/또는 공기 또는 다른 기체가 졸 위로 통과되어, 졸-겔 반응이 진행하도록 허용할 수 있다.

몇몇 경우에, 여전히 존재하는 임의의 미겔화 졸(ungelled sol)이 미세 유체 채널로부터 제거될 수 있다. 미겔화 졸은 미세 유체 채널에 대한 압력의 인가 또는 화합물의 첨가 등에 의해, 예컨대, 물리적으로 능동적으로 제거될 수 있거나, 미겔화 졸은 몇몇 경우에 수동적으로 제거될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 미세 유체 채널 내에 존재하는 졸은 용제를 기화시키기 위해 가열될 수 있고, 이는 미세 유체 채널 내에서 기체 상태로 축적되어, 미세 유체 채널 내의 압력을 증가시킨다. 압력은, 몇몇 경우에, 미겔화 졸의 적어도 일부가 미세 유체 채널로부터 제거되거나 "취출(blown)"되게 하기에 충분할 수 있다.

소정의 실시예에서, 졸은 미세 유체 채널에 대한 노출 이전에, 부분 중합이 발생하게 하도록 전처리된다. 예를 들어, 졸은 부분 중합이 졸 내에서 발생하도록 처리될 수 있다. 졸은, 예를 들어, 적어도 일부의 겔화가 발생하게 하기에 충분한 산 또는 온도에 졸을 노출시킴으로써 처리될 수 있다. 몇몇 경우에, 온도는 졸이 미세 유체 채널에 첨가될 때 노출될 온도 미만일 수 있다. 졸의 일부 중합이 발생할 수 있지만, 중합은, 예를 들어, 온도를 감소시킴으로써, 완료에 도달하기 전에 정지될 수 있다. 따라서, 졸 내에서, (길이의 측면에서 반드시 잘 정의되지 않을 수 있는) 몇몇 소중합체가 형성될 수 있지만, 완전한 중합이 아직 발생하지는 않았다. 부분적으로 처리된 졸은 그 다음 위에서 설명된 바와 같이, 미세 유체 채널에 첨가될 수 있다.

소정의 실시예에서, 코팅의 일 부분은 코팅이 미세 유체 채널로 도입된 후에 그의 소수성 (또는 다른 특성)을 변경하도록 처리될 수 있다. 몇몇 경우에, 코팅은 위에서 설명된 바와 같이, 단량체 및/또는 소중합체를 포함하는 용액에 노출되고, 이는 그 다음 중합되어 코팅에 결합된다. 예를 들어, 코팅의 일 부분은 중합이 발생하게 하도록 자유 라디칼 중합 반응을 개시하기 위해 사용될 수 있는, 열 또는 자외광과 같은 광에 노출될 수 있다. 선택적으로, 광개시제가 이러한 반응을 용이하게 하기 위해, 예컨대 졸-겔 코팅 내에 존재할 수 있다.

그러한 코팅 및 다른 시스템의 추가의 세부는 어베이트 등의 2008년 3월 28일자로 출원된 발명의 명칭이 "제어된 습윤 특성을 갖는, 미세 유체 채널을 포함하는 표면"인 미국 가특허 출원 제61/040,442호; 및 2009년 2월 11일자로 출원되어 2009년 10월 1일자로 WO 2009/120254호로서 공개된, 발명의 명칭이 "제어된 습윤 특성을 갖는, 미세 유체 채널을 포함하는 표면"인 국제 특허 출원 PCT/US2009/000850에서 볼 수 있고, 이들 각각은 본원에서 참조로 통합되었다.

본 발명의 소정의 태양에 따른 다양한 재료 및 방법이 본원에서 설명되는 다중 액적을 생성할 수 있는 (위에서 설명된 것과 같은) 시스템을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 경우에, 선택된 다양한 재료는 다양한 방법에 맞춰진다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 구성요소는 고체 재료로부터 형성될 수 있고, 이때 채널은 미세 가공, 스핀 코팅 및 화학 증착과 같은 필름 적층 공정, 레이저 제조, 광리소그래피 기술, 습식 화학적 또는 플라즈마 공정을 포함한 에칭 방법 등을 거쳐 형성될 수 있다. 예를 들어, 문헌 [Scientific American, 248:44-55, 1983 (Angell, et al .)] 참조. 일 실시예에서, 유체 시스템의 적어도 일 부분은 규소 칩 내에 특징부를 에칭함으로써 규소로 형성된다. 본 발명의 다양한 유체 시스템 및 장치의 정밀하고 효율적인 제조를 위한 기술이 공지되어 있다. 다른 실시예에서, 본 발명의 시스템 및 장치의 다양한 구성요소는 중합체, 예를 들어, 폴리다이메틸실록세인("PDMS"), 폴리테트라플루오로에틸렌("PTFE" 또는 테플론^®) 등과 같은 탄성 중합체로 형성될 수 있다.

상이한 구성요소들은 상이한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 바닥 벽 및 측벽을 포함하는 기부 부분이 규소 또는 PDMS와 같은 불투명 재료로부터 제조될 수 있고, 상부는 유체 공정의 관찰 및/또는 제어를 위해, 유리 또는 투명 중합체와 같은 투명하거나 적어도 부분적으로 투명한 재료로부터 제조될 수 있다. 구성요소들은 내부 채널 벽과 접촉하는 유체에 원하는 화학적 기능성을 노출시키도록 코팅될 수 있고, 여기서 기부 지지 재료는 정밀하고 원하는 기능성을 갖지 않는다. 예를 들어, 구성요소들은 도시된 바와 같이 제조될 수 있고, 내부 채널 벽은 다른 재료로 코팅된다. 본 발명의 시스템 및 장치의 다양한 구성요소를 제조하기 위해 사용되는 재료, 예컨대, 유체 채널의 내부 벽을 코팅하기 위해 사용되는 재료는 바람직하게는 유체 시스템을 통해 유동하는 유체에 부정적으로 영향을 주거나 그에 의해 영향을 받지 않는 재료, 예컨대 장치 내에서 사용되는 유체의 존재 시에 화학적으로 불활성인 재료(들) 중에서 선택될 수 있다. 그러한 코팅의 비제한적인 예가 앞서 설명되었다.

일 실시예에서, 본 발명의 다양한 구성요소들은 중합체 및/또는 가요성 및/또는 탄성중합체 재료로부터 제조되고, 경질화 가능한 유체로 간편하게 형성되어, 성형(예컨대, 복제 성형, 사출 성형, 주조 성형 등)에 의한 제조를 용이하게 할 수 있다. 경질화 가능한 유체는 고화되도록 유도될 수 있거나, 유체 네트워크 내에서 그리고 그와 함께 사용하기 위해 고려되는 유체를 포함하고 그리고/또는 운반할 수 있는 고체로 순간적으로 고화되는, 본질적으로 임의의 유체일 수 있다. 일 실시예에서, 경질화 가능한 유체는 중합체 액체 또는 액체 중합체 전구체 (즉, "프리폴리머")를 포함한다. 적합한 중합체 액체는, 예를 들어, 열가소성 중합체, 열경화성 중합체, 또는 융점 위로 가열된 그러한 중합체들의 혼합물을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 적합한 중합체 액체는 적합한 용제 내의 하나 이상의 중합체의 용액을 포함할 수 있고, 용액은, 예를 들어, 증발에 의한 용제의 제거 시에 고체 중합체 재료를 형성한다. 예를 들어 용융 상태로부터 또는 용제 증발에 의해 고화될 수 있는 그러한 중합체 재료가 본 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있다. 많은 것들이 탄성중합체인 다양한 중합체 재료가 적합하고, 또한 주형 마스터들 중 하나 또는 모두가 탄성중합체 재료로 구성되는 실시예에 대해, 주형 또는 주형 마스터를 형성하기에 적합하다. 그러한 중합체의 예의 비제한적인 목록은 실리콘 중합체, 에폭시 중합체, 및 아크릴레이트 중합체의 일반적인 부류의 중합체를 포함한다. 에폭시 중합체는 에폭시기, 1,2-에폭사이드, 또는 옥시레인으로 일반적으로 지칭되는 3-원소 사이클릭 에텔기의 존재를 특징으로 한다. 예를 들어, 비스페놀 A의 다이글라이시딜 에텔이 방향족 아민, 트라이아진, 및 지환족 골격에 기초한 화합물에 추가하여 사용될 수 있다. 다른 예는 공지된 노볼락(Novolac) 중합체를 포함한다. 본 발명에 따른 용도에 대해 적합한 실리콘 탄성중합체의 비제한적인 예는 메틸클로로실레인, 에틸클로로실레인, 페닐클로로실레인 등과 같은 클로로실레인을 포함한 전구체로부터 형성된 것을 포함한다.

실리콘 중합체, 예를 들어 실리콘 탄성 중합체인 폴리다이메틸실록세인이 하나의 세트의 실시예에서 바람직하다. PDMS 중합체의 비제한적인 예는 미국 미시건주 미들랜드 소재의 다우 케미컬 코.(Dow Chemical Co.)에 의해 실가드(Sylgard)라는 상표명으로 판매되는 것, 특히 실가드 182, 실가드 184, 및 실가드 186을 포함한다. PDMS를 포함하는 실리콘 중합체는 본 발명의 미세 유체 구조물의 제조를 단순화하는 여러 유익한 특성을 갖는다. 예를 들어, 그러한 재료는 저렴하고, 쉽게 구입 가능하고, 열에 의한 경화를 거쳐 프리폴리머 액체로부터 고화될 수 있다. 예를 들어, PDMS는 전형적으로, 예를 들어 약 1시간의 노출 시간 동안 예를 들어 약 65℃ 내지 약 75℃의 온도로의 프리폴리머 액체의 노출에 의해 경화 가능하다. 또한, PDMS와 같은 실리콘 중합체는 탄성중합체일 수 있고, 따라서 본 발명의 소정의 실시예에서 필요한, 상대적으로 높은 종횡비를 갖는 매우 작은 특징부를 형성하는데 유용할 수 있다. 가요성 (예컨대, 탄성중합체) 주형 또는 마스터가 이와 관련하여 유리할 수 있다.

PDMS와 같은 실리콘 중합체로부터 본 발명의 미세 유체 구조물과 같은 구조물을 형성하는 하나의 장점은, 예를 들어 공기 플라즈마와 같은 산소 함유 플라즈마에 대한 노출에 의해 산화되는 그러한 중합체의 능력이고, 산화된 구조물은 그의 표면에서, 다른 산화된 실리콘 중합체 표면 또는 다양한 다른 중합체 및 비중합체 재료의 산화된 표면에 대해 가교 결합할 수 있는 화학기를 포함한다. 따라서, 구성요소들은 제조된 다음 산화되어, 별도의 접착제 또는 다른 밀봉 수단에 대한 필요가 없이, 다른 실리콘 중합체 표면 또는 산화된 실리콘 중합체 표면과 반응하는 다른 기판의 표면에 본질적으로 비가역적으로 밀봉될 수 있다. 대부분의 경우에, 밀봉은 밀봉을 형성하기 위해 보조 압력을 인가할 필요가 없이 단순히 산화된 실리콘 표면을 다른 표면에 접촉시킴으로써 완료될 수 있다. 즉, 미리 산화된 실리콘 표면은 적합한 정합 표면에 대한 접촉식 접착제로서 작용한다. 구체적으로, 산화된 PDMS와 같은 산화된 실리콘은 그 자체에 대해 비가역적으로 밀봉 가능한 것에 추가하여, 예를 들어, (예를 들어, 산소 함유 플라즈마에 대한 노출을 거쳐) PDMS 표면과 유사한 방식으로 산화된, 유리, 규소, 산화규소, 석영, 질화규소, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 유리상 탄소, 및 에폭시 중합체를 포함한 자신 이외의 일정 범위의 산화된 재료에 비가역적으로 밀봉될 수도 있다. 본 발명의 맥락에서 유용한 산화 및 밀봉 방법은 물론 전체 성형 기술이 본 기술 분야에서, 예를 들어, 본원에서 참조로 통합된 문헌 ["Rapid Prototyping of Microfluidic Systems and Polydimethylsiloxane," Anal. Chem., 70:474-480, 1998 (Duffy, et al.)]에 설명되어 있다.

몇몇 실시예에서, 본 발명의 소정의 미세 유체 구조물 (또는 내부 유체 접촉 표면)은 소정의 산화된 실리콘 중합체로부터 형성될 수 있다. 그러한 표면은 탄성 중합체의 표면보다 더 친수성일 수 있다. 그러한 친수성 채널 표면은 따라서 수용액으로 더 쉽게 충전되고 습윤될 수 있다.

일 실시예에서, 본 발명의 미세 유체 장치의 바닥 벽은 하나 이상의 측벽 또는 상부 벽, 또는 다른 구성요소와 상이한 재료로 형성된다. 예를 들어, 바닥 벽의 내부 표면은 규소 웨이퍼 또는 마이크로칩, 또는 다른 기판의 표면을 포함할 수 있다. 다른 구성요소들은 위에서 설명된 바와 같이, 그러한 대안적인 기판에 밀봉될 수 있다. 실리콘 중합체(예컨대, PDMS)를 포함하는 구성요소를 상이한 재료의 기판(바닥 벽)에 밀봉하는 것이 필요한 경우에, 기판은 산화된 실리콘 중합체가 비가역적으로 밀봉될 수 있는 재료의 그룹(예컨대, 산화된 유리, 규소, 산화규소, 석영, 질화규소, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 에폭시 중합체, 및 유리상 탄소 표면)으로부터 선택될 수 있다. 대안적으로, 별도의 접착제, 결합, 용제 결합, 초음파 용접 등의 사용을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 다른 밀봉 기술이 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 바와 같이 사용될 수 있다.

다음의 출원이 각각 본원에서 참조로 통합되었다: 쿠마르(Kumar) 등의 1993년 10월 4일자로 출원되어 1996년 4월 30일자로 미국 특허 제5,512,131호로서 공고된, 발명의 명칭이 "표면 상의 미세 스탬핑 패턴 및 파생 물품의 형성"인 미국 특허 출원 제08/131,841호; 킴(Kim) 등의 1998년 1월 8일자로 출원되어 2002년 3월 12일자로 미국 특허 제6,355,198호로서 공고된, 발명의 명칭이 "모세관 미세 성형 및 미세 전사 성형에 의해 도파관을 포함한 물품을 형성하는 방법"인 미국 특허 출원 제09/004,583호; 화이트사이즈(Whitesides) 등의 1996년 3월 1일자로 출원되어 1996년 6월 26일자로 WO 96/29629호로서 공개된, 발명의 명칭이 "표면 상의 미세 접촉 인쇄 및 파생 물품"인 국제 특허 출원 PCT/US96/03073호; 앤더슨(Anderson) 등의 2001년 5월 25일자로 출원되어 2001년 11월 29일자로 WO 01/89787호로서 공개된, 발명의 명칭이 "3차원으로 배열된 채널 네트워크를 포함하는 미세 유체 시스템"인 국제 특허 출원 PCT/US01/16973호; 링크 등의 2005년 10월 7일자로 출원되어 2006년 7월 27일자로 미국 특허 출원 공개 제2006/0163385호로서 공개된, 발명의 명칭이 "유체 종의 형성 및 제어"인 미국 특허 출원 제11/246,911호; 스톤 등의 2004년 12월 28일자로 출원되어 2005년 8월 11일자로 미국 특허 출원 공개 제2005/0172476호로서 공개된, 발명의 명칭이 "유체 분산을 위한 방법 및 장치"인 미국 특허 출원 제11/024,228호; 바이츠 등의 2006년 3월 3일자로 출원되어 2006년 9월 14일자로 WO 2006/096571호로서 공개된, 발명의 명칭이 "다중 에멀션을 형성하기 위한 방법 및 장치"인 국제 특허 출원 PCT/US2006/007772호; 링크 등의 2006년 2월 23일자로 출원되어 2007년 1월 4일자로 미국 특허 출원 공개 제2007/000342호로서 공개된, 발명의 명칭이 "유체 종의 전자식 제어"인 미국 특허 출원 제11/360,845호; 및 가르스텍키 등의 2006년 3월 3일자로 출원된 발명의 명칭이 "입자를 형성하는 시스템 및 방법"인 미국 특허 출원 제11/368,263호. 또한, 주(Chu) 등의 2007년 3월 28일자로 출원된 발명의 명칭이 "다중 에멀션 및 형성 기술"인 미국 가특허 출원 제60/920,574호가 본원에서 참조로 통합되었다. 또한, 바이츠 등의 2009년 9월 22일자로 출원된 발명의 명칭이 "접합부를 사용하여 생성되는 다중 에멀션"인 미국 가특허 출원 제61/239,402호; 바이츠 등의 2009년 9월 22일자로 출원된 발명의 명칭이 "분출 및 다른 기술을 사용하여 생성되는 다중 에멀션"인 미국 가특허 출원 제61/239,405호; 및 바이츠 등의 2010년 6월 9일자로 출원된 발명의 명칭이 "분출 및 다른 기술을 사용하여 생성되는 다중 에멀션"인 미국 가특허 출원 제61/353,093호가 본원에서 참조로 통합되었다.

다음의 예가 본 발명의 소정의 실시예를 예시하도록 의도되지만, 본 발명의 완전한 범주를 예시하지는 않는다.

예 1

이러한 예는 리소그래피로 제조된 장치 내에서 1단계 공정에서 이중 에멀션을 형성하기 위한 기술을 제시한다. 장치는 중간상 내부의 제1 활성상의 안정되고, 겹쳐진 분출물의 형성을 허용한다. 이러한 겹쳐진 분출물은 채널이 넓어지고 연속상이 첨가되는 제2 접합부로 전달되고; 이는 접합부의 진입부에서 불안정성을 생성하고, 이는 분출물이 적하 공정에서 단분산 이중 에멀션으로 분해되게 한다. 이러한 공정은 몇몇 경우에 상대적으로 껍질이 얇을 수 있는 이중 에멀션을 생성한다.

이러한 예에서, 미세 유체 장치는 소프트 리소그래피의 기술을 사용하여 PDMS 내에서 제조되었다. 이중 에멀션의 형성을 가능하게 하기 위해, 채널들은 광반응성 졸-겔 코팅을 사용하여 공간적으로 패턴화되었다. 습윤도를 패턴화하기 위해, 장치는 졸-겔로 코팅되고, 아크릴산 단량체 용액으로 충전되고, 패턴화된 UV 광에 노광되었다. 장치가 광에 노광되는 곳에서, 폴리아크릴산 사슬이 계면에 이식되어 이를 친수성을 만들었고; 졸-겔의 기본 특성이 장치의 나머지를 소수성으로 만들었다. 예컨대, 더 많은 정보에 대해서는, 각각 본원에서 전체적으로 참조로 통합된, 어베이트 등의 2009년 2월 11일자로 출원된 발명의 명칭이 "제어된 습윤 특성을 갖는, 미세 유체 채널을 포함하는 표면"인 국제 특허 출원 PCT/US2009/000850호; 및 바이츠 등의 2008년 8월 7일자로 출원되어 2009년 2월 12일자로 WO 2009/020633호로서 공개된, 발명의 명칭이 "표면 상의 금속 산화물 코팅"인 국제 특허 출원 PCT/US2008/009477호 참조. 이중 에멀션을 위한 용액으로서, 증류수가 계면활성제인 0.5%의 소디움 도데실 설페이트(SDS) 및 1.8%의 계면활성제 R22를 갖는 HFE-7500 플루오로카본 오일과 함께 사용되었다. 이러한 예에서 사용되는 모든 이중 에멀션은 플루오로카본 오일 연속상 내에 분산된, 플루오로카본 오일 내측 액적 및 물 껍질로 구성되었다. 도 2는 이러한 예에서 사용되는 장치의 개략도를 도시한다.

이러한 예에서 사용되는 장치는 직렬로 연결된 횡단 채널 접합부를 포함하였다. 제1 접합부는 분출 접합부로서 사용되었고, 제2 또는 제3 접합부는 적하 접합부로서 사용되었다. 이러한 예에서, 장치는 중간상 내부에 겹쳐진 내측상의 동심 분출물을 먼저 형성하고, 그 다음 분출물을 1단계 적하 공정에서 이중 에멀션으로 분해함으로써 사용되었다. 이는 2개의 접합부 내에서 웨버 수를 제어함으로써 달성되었다. 웨버 수는 We = ρμ²/γl³으로서 정의되고, 여기서 ρ = 1614 kg/m³은 유체의 밀도이고, μ는 유체의 체적 유량이고, w는 채널의 폭이고, γ = 1.5 m N/m는 분산상과 연속상 사이의 표면 장력이다. 이러한 방정식은 We < 1에 대해 시스템이 적하하고, We > 1에 대해 시스템이 분출하도록, 공동 유동 층류 스트림에 대해 적하로부터 분출로의 전이를 지배한다. 그러므로, 제1 접합부 내에서 제어된 분출물 형성을 허용하기 위해, 짧고 좁은 노즐이 사용되어 w는 작게, 이러한 경우에 40 마이크로미터로 유지되었다. 이러한 치수에 대해, 웨버 수는 내측상 유량이 1600 ㎕/hr로 증가함에 따라 아래로부터 1에 접근하였고; 이러한 유량 위에서, 시스템은 분출을 보였다. 겹쳐진 분출물의 제어된 1단계 적하를 허용하기 위해, 제2 접합부의 노즐이 넓어졌다. 이는 시스템이 적하를 보이도록, 유속을 감소시켜서 We를 감소시켰다. 이는 μ_in + μ_mid = 3200 ㎕/hr까지 겹쳐진 분출물이 단분산 이중 에멀션으로 분해되도록 허용하여, 다양한 두께를 갖는 이중 에멀션의 형성을 허용하였다.

We 수는 따라서 적하로부터 분출로의 전이뿐만 아니라, 이중 에멀션화가 이러한 장치 내에서 1단계 공정에서 또는 2단계 공정에서 발생하는지를 지배한다. 이를 예시하기 위해, We는 도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 구역들 사이에서 이동하도록 제1 접합부 내에서 변했다. 이러한 도면은 일정 범위의 웨버 수에 대해 이중 접합부 장치 내에서 형성되는 이중 에멀션의 광학 현미경 사진을 도시한다. We는 유량을 내측상에 대해 600 ㎕/hr, 중간상에 대해 1000 ㎕/hr, 그리고 연속상에 대해 1800 및 200 ㎕/hr로 설정함으로써 작게 시작되었다. 이러한 유량에서, 제1 접합부에 대해, We = 0.37이었고, 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 적하를 보였다. 이러한 액적은 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 접합부 내로 유동하여, 외측 액적 내에 캡슐화되어, 2단계 공정에서 이중 에멀션을 생성하였다. We가 느리게 증가됨에 따라, 시스템은 적하 구역 내에 유지되어, 2단계 공정에서 이중 에멀션을 생성하였지만, 도 3의 중간 범위 내에 도시된 바와 같이, 더 빠른 유속에서, 상대적으로 더 얇은 껍질을 구비하였다. We가 훨씬 더 많이 증가됨에 따라, 이중 에멀션은 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 액적 제작기가 분출을 보이기 시작할 때, We ~ 1까지, 훨씬 더 얇은 껍질을 구비하여 훨씬 더 빨리 생성되었다. 이러한 지점에서, 액적 형성은 2단계 공정으로부터 1단계 공정으로 전이하여, 도 3의 우측에 도시된 바와 같이, 껍질이 매우 얇은 이중 에멀션을 형성하였다. 그러나, 전이 가까이에서, 이중 에멀션은 내측상 분출물이 완전하게 안정적으로 보이지 않았기 때문에, 완벽하게 단분산으로 보이지 않았고; 전달성 불안정성이 분출물을 형성하여, 분출물이 위치에 따라 더 두꺼워지고 더 얇아지게 하였다. 증가된 단분산 이중 에멀션을 달성하기 위해, We는 적하/분출 전이로부터 멀리 이동하도록 증가되었다. 이러한 유량에서, 전달성 불안정성이 분출물과의 간섭을 회피하기에 충분히 신속하게 더 빨리 하류로 밀려나서, 시간 불변 형상을 갖는 매끄럽고 안정된 분출물을 산출하였다. 이는 도 3에 도시된 바와 같이, 분출물을 상대적으로 단분산인 이중 에멀션으로 분할(pinch-off)하도록 제2 노즐의 진입부에서 불안정성을 허용하였다. We를 훨씬 더 증가시키는 것은 몇몇 경우에, 유량이 제2 접합부가 분출 거동을 보이기 시작하기에 충분히 커지므로, 다분산 이중 에멀션의 형성으로 이어질 수 있다.

2단계로부터 1단계 이중 에멀션화로의 전이를 정량화하기 위해, We의 함수로서의 내측 및 외측 액적의 분할 위치가 도 4a에 도시된 바와 같이, 결정되었다. 작은 We에서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 공정이 2단계였으므로, 내측 및 외측 액적 형성 사이에 큰 분리 거리가 있었다. We가 증가함에 따라, 도 4a에 도시된 바와 같이, 내측상이 제2 접합부 내로 분출할 때, 내측 액적의 분할 위치의 상대적으로 갑작스럽고, 불연속적인 점프가 있었다. 이러한 유량에서, 내측 및 외측 액적들은 거의 동일한 위치 및 시간에 분할되어, 도 4a에 도시된 바와 같이, 1단계 액적 형성을 일으켰다. 이중 에멀션 껍질의 두께는 또한 이러한 범위에 걸쳐 꾸준히 감소하였고, 이는 (내측상 We 수의 함수로서, 결과적인 이중 에멀션 껍질의 두께를 도시하는) 도 4b에서 껍질 두께에 대한 이론적인 곡선과의 비교에 의해 도시된 바와 같이, 내측-중간 상의 유량비가 증가했기 때문이다. 낮은 내측상 유량에서, 껍질이 두꺼운 이중 에멀션이 형성되었고, 높은 내측상 유량에서, 껍질이 얇은 이중 에멀션이 형성되었다. 이는 이중 에멀션의 구조가 유량을 조정함으로써 제어되도록 허용하였다. 특히, We ~ 1에서, 제1 접합부는 적하로부터 분출 거동으로 전이하여, 내측 액적의 분할 위치에서의 불연적인 점프가 있었고; 이는 또한 낮은 We에서의 2단계 형성으로부터의 높은 We에서의 1단계 형성으로의 전이를 설정하였다. 껍질 두께는 도 4b에 삽입된 방정식에 의해 도시된 바와 같이, We의 함수로서 모델링될 수 있다.

1단계 이중 에멀션화의 연속적인 동적 특성을 관찰하기 위해, 공정의 이미지가 고속 카메라로 기록되었다. 장치의 유량은 내측상에 대해 1900 ㎕/hr, 중간상에 대해 1000 ㎕/hr, 및 연속상에 대해 1800 및 200 ㎕/hr로 설정되었다. 이러한 유량에서, 이중 에멀션은 약 3 kHz의 속도로 형성되어, 연속적인 동적 특성을 해석하기 위해, 이미지가 16 kHz로 기록되었다. 구속 미세 채널 내에서의 단일상 유체의 에멀션화에서와 같이, 도 5a에 도시된 바와 같이, 분출물의 전방 부분이 t = 0 및 62 ㎲에 대해 도시된 바와 같이, 노즐 내로 연장하여 그를 차단하였다. 이는 연속상 내에서 압력이 증가하게 하여, 분출물에 대한 압착을 시작하였다. 이는 t = 125 및 187 ㎲에 대해 도시된 바와 같이, 분출물이 좁아지게 하였다. 연속상이 중간상에 대해 압착할 때, 중간상은 또한 t = 250 ㎲에 대해 도시된 바와 같이, 내측상에 대해 압착하였다. t = 312 ㎲에서, 이는 내측 액적이 분할되게 하였지만, 중간상은 다른 300 ㎲ 동안 연결 유지되었다. t = 625 ㎲에서, 중간상 또한 분할되어, 이중 에멀션의 형성을 완료하였다. 공정은 주기적으로 반복하여, 얇은 껍질을 구비한 상대적으로 단분산 이중 에멀션을 생성하였다. 1단계 이중 에멀션화는 따라서 실제로 2개의 분할 이벤트를 통해 발생하지만, 이들은 이러한 예시적인 장치 내에서 시간에 있어서 300 ㎲ 및 공간에 있어서 80 ㎛만큼 분리된다.

예 2

이러한 예는 넓은 범위의 껍질 두께를 구비한 다중 에멀션을 생성하기 위한 간단한 방법을 예시한다. 미세 유체 장치가 혼합 불가능한 유체들의 다중 분출물을 생성하도록 사용되었고; 적하 불안정성을 사용하여, 분출물은 다중 에멀션으로 분해되었다. 분출물의 두께를 제어함으로써, 다중 에멀션 내의 껍질의 두께가 제어될 수 있었다. 이러한 예에서 도시된 바와 같이, 1단계 형성은 점탄성 유체와 같은, 달리 제어 가능하게 에멀션화될 수 없는 유체로부터 단분산 에멀션을 생성하기 위한 효과적인 방법이다.

이러한 예에서, 넓은 범위의 껍질 두께를 구비한 다중 에멀션을 형성하기 위한 간단한 기술이 제시된다. 일련의 유동 포커싱 접합부를 갖는 미세 유체 장치가 사용되었다. 최종 접합부를 제외한 모든 접합부가 분출 구역 내에 있도록 유량을 설정함으로써, 상이한 유체들의 다중 분출물이 생성될 수 있다. 다중 분출물은 적하 불안정성을 사용하여 최종 접합부 내에서 다중 에멀션으로 분해되었다. 이것이 유량이 모든 접합부가 적하 구역 내에 있도록 설정되도록 요구하지 않기 때문에, 이는 훨씬 더 넓은 범위에 걸쳐 작동할 수 있어서, 더 넓은 범위의 껍질 두께를 구비한 다중 에멀션의 생성을 허용한다. 이는 또한 점탄성 유체와 같은, 미세 유체 장치 내에서 통상적으로 에멀션화될 수 없는 유체로부터 단분산 액적을 생성하기 위한 효과적인 방법이다. 이는 이러한 예에서, 에멀션화하기가 더 쉬운 유체 내에 "어려운" 유체를 감싸서, 이중 분출물을 형성함으로써 달성되었다. 외측 분출물이 액적 내로 핀칭되도록 유도함으로써, 내측 분출물 또한 액적 내로 핀칭될 수 있었다. 이중 에멀션을 분해함으로써, 내측 액적이 방출되어, 어려운 유체의 단분산 에멀션을 산출할 수 있었다.

미세 유체 유동 포커싱이 이러한 예에서 에멀션을 생성하기 위해 사용되었다. 4-방향 횡단부를 형성하도록 직각으로 교차하는 2개의 채널을 갖는 유동 포커스 장치가 사용되었다. 분산상이 중심 입구 내로 주입되었고, 연속상이 각 측면 상의 입구 내로 주입되었다. 2개의 유체는 노즐 내에서 만났다. 유체가 노즐을 통해 유동할 때, 전단이 발생되었고; 이는 분산상이 연속상에 의해 둘러싸인 분출물을 형성하게 하였다. 유동 조건에 의존하여, 분출물은 안정적이거나, 즉, 액적으로 분해되지 않거나, 불안정하여 액적으로 분해되었다. 액적 형성으로 이어지는 유동 조건은 2개의 무차원 숫자에 의해 설명될 수 있었다. 분산 유체의 웨버 수, We_in = ρν²l/γ는 분출물의 관성의 크기를 그의 표면 장력에 관련시키고, ρ 및 ν는 내측상의 밀도 및 속도이고, l은 채널의 직경이고, γ는 분출물의 표면 장력이다. 외측상의 모세관 수, Ca_out = μν/γ는 연속상에 의한 분출물 상의 전단의 크기를 그의 표면 장력에 관련시키고; μ 및 ν는 외측상의 점성 및 속도이고, γ는 분출물의 표면 장력이다. {We_in, Ca_out} > 1에 대해, 분산상은 단분산 액적으로 분해되지 않은 분출물을 형성하였다. {5 Ca_out} < 1에 대해, 적하 불안정성이 존재하였고, 분산상은 단분산 액적으로 분해되었다.

이중 에멀션을 형성할 때, 2개의 유동 포커스 접합부가 직렬로 사용되었다. 제1 접합부의 출구는 도 6a에 도시된 바와 같이, 다음의 접합부의 입구 내로 공급되었다. 통상, 적하 불안정성이 양 접합부 내에 존재하였다. 이는 2단계 공정에서 이중 에멀션을 생성하였고; 내측 액적은 제1 접합부 내에서 형성되어, 제2 접합부 내에서 외측 액적 내에 캡슐화되었다. 이중 에멀션은 또한 제1 접합부 내의 유량을 증가시킴으로써, 제1 적하 불안정성을 제거함으로써 1단계 공정에서 형성될 수 있었다. 이는 제2 접합부 내로 연장하는 내측상의 안정된 분출물을 생성하였다. 여기서, 그는 도 6b에 도시된 바와 같이, 중간상의 층에 의해 둘러싸여서, 이중 분출물을 생성하였다. 제2 접합부 내의 유량이 적하 불안정성이 존재하도록 설정되었으면, 이중 분출물은 도 6b에 도시된 바와 같이, 이중 에멀션 내로 핀칭되었다.

적하 불안정성에 의해 형성 공정을 제어하는 이러한 능력을 입증하기 위해, 이중 유동 포커스 미세 유체 장치가 구성되었다. 장치는 50 마이크로미터의 일정한 채널 높이로 제조되었다. 이중 에멀션을 위한 유체로서, 0.5 중량%의 SDS를 구비한 증류수, 및 1.8 중량%의 크라이톡스(Krytox) 157 FSL의 알루미늄 카르복실레이트를 구비한 HFE-7500 플루오로카본 오일이 사용되었다. O/W/O 이중 에멀션을 형성하기 위해, 장치의 습윤도는 제1 접합부가 친수성이고 제2 접합부가 소수성이도록 패턴화되었다. 습윤도를 패턴화하기 위해, 단순 유동 구속 기술이 사용되었다.

이중 에멀션이 2단계 공정에서 형성되었다. 이는 각각의 접합부 내에 하나씩, 2개의 적하 불안정성을 요구하였다. 유량은 내측상에 대해 600 ㎕/hr, 중간상에 대해 1000 ㎕/hr, 연속상에 대해 2500 ㎕/hr로 설정되어, 양 접합부 내에서 { We_in, Ca_out} < 1을 보장하였다. 이는 내측상이 제1 접합부 내에서 적하하고, 중간상이 제2 접합부 내에서 적하하게 하여, 도 3의 We_in = 0.2에 대해 도시된 바와 같이, 2단계 공정에서 이중 에멀션을 형성하였다. We_in이 증가됨에 따라, 제1 유동 포커스 접합부는 분출 구역에 더 가까워졌지만, 공정은 도 3의 We_in = 0.8에 대해 도시된 바와 같이, 2단계로 유지되었다. We_in이 1 위로 증가됨에 따라, 내측상은 갑작스럽게 분출되었고; 이는 도 3의 We_in = 1.1에 대해 도시된 바와 같이, 제2 접합부 내에서 이중 분출물을 생성하였다. 제2 접합부 내에서 {We_in, Ca_out } < 1이기 때문에, 적하 불안정성이 유지되어, 도 3에 도시된 바와 같이, 이중 분출물을 이중 에멀션으로 분해하였다. 도 3에서, 낮은 We_in에 대해, 적하 불안정성이 양 유동 포커스 접합부 내에서 존재하여, 2단계 공정에서 이중 에멀션을 형성하였다. 그러나, We_in이 1을 넘어 증가될 때, 제1 불안정성이 제거되고; 이는 내측상이 제2 접합부 내로 분출하게 하여, 1단계 공정에서 이중 에멀션으로 분해되는 이중 분출물을 형성하였다. 도 3의 스케일 바는 50 마이크로미터를 표시한다.

2단계와 1단계 형성 공정 사이의 전이를 정량화하기 위해, 내측 및 외측 액적의 분할 위치가 결정되었다. 낮은 We_in에서, 내측 및 중간 상은 상이한 위치에서 분할되었고, 이는 도 4a에 도시된 바와 같이, 2개의 공간적으로 분리된 적하 불안정성이 있었기 때문이다. We_in이 증가됨에 따라, 양 분할 위치들은 더 높은 유량에 의해 발생되는 더 큰 전단으로 인해, 하류로 변위되었지만, 공정은 도 4a에 도시된 바와 같이 2단계로 유지되었다. We_in이 1을 넘어 증가됨에 따라, 내측상이 분출하고; 내측 및 중간 상들은 도 4a에 도시된 바와 같이, 거의 동일한 위치에서 분할되었다. 이러한 구역들 사이의 전이는 가능하게는 적하-분출 전이의 갑작스런 성질로 인해, 갑작스러웠다. We_in의 이러한 범위에 걸쳐, 이중 에멀션의 껍질 두께는 감소하였고, 이는 도 4b에 도시된 바와 같이, 내측-중간상의 마찰이 증가하였기 때문이다. 2단계 형성 공정에서, 7 마이크로미터보다 더 얇은 껍질은 항상 형성될 수 있는 것은 아니었고, 이는 그렇게 하는 것이 액적을 전형적으로 생성하지 않는 유량을 요구하기 때문이었지만; 장치를 1단계 구역 내에서 작동하도록 설계함으로써, 장치는 이러한 유량을 이용할 수 있다. 이는 도 4b에 도시된 바와 같이, 내측-중간상 체적 분획이 거의 임의로 증가되도록 허용하여, 과도하게 껍질이 얇은 이중 에멀션을 생성하였다.

도 4a에서, 낮은 We_in에서, 적하 불안정성이 양 유동 포커스 접합부 내에 존재하여, 내측 및 외측 분출물이 상이한 위치에서 분해되었다. 그러나, We_in이 1을 넘어 증가됨에 따라, 내측상이 제2 접합부 내로 분출하였고; 이는 내측 및 외측 상이 동일한 위치에서 분할되는 이중 분출물을 생성하였다. 도 4b는 가능하게는 내측-중간상의 분획이 증가되었기 때문에, 이중 에멀션 껍질의 두께가 이러한 범위에 걸쳐 감소되는 것을 도시한다. 1단계 형성은 따라서 제1 유동 포커스 접합부가 적하 구역 내에 있는 유량으로 제한되지 않기 때문에, 다단계 형성보다 훨씬 더 얇은 껍질을 구비한 이중 에멀션을 생성하도록 사용될 수 있다.

이중 에멀션의 1단계 형성의 동적 특성을 시각화하기 위해, 공정은 고속 카메라에 의해 동영상으로 기록되었다. 이른 액적 형성 사이클에서, 이중 분출물이 유동 포커스 접합부 내로 연장하였고, 여기서 적하 불안정성은 도 5a에서 t = 0 ㎲에 대해 도시된 바와 같다. 사이클이 진행함에 따라, 적하 불안정성은 이중 분출물이 좁아지게 하였다. 내측 분출물은 외측 분출물보다 더 얇으므로, 더 빨리 불안정한 폭에 도달하였고; 이는 t = 375 ㎲에 대해 도시된 바와 같이, 외측 분출물이 연결되어 유지되는 동안 내측 분출물이 액적 내로 핀칭되게 하였다. 사이클이 진행함에 따라, 외측 분출물은 그가 불안정한 폭에 도달하여 분해되는 지점까지, 계속하여 좁아져서, t = 625 ㎲에서, 이중 에멀션을 생성하였다.

1단계 형성은 또한 고차 다중 에멀션을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이를 예시하기 위해, 삼중 에멀션 장치가 3개의 유동 포커스 접합부를 직렬로 사용하여 구성되었다. W/O/W/O 삼중 에멀션을 형성하기 위해, 장치 습윤도는 제1 접합부가 소수성이고, 제2 접합부가 친수성이고, 제3 접합부가 소수성이도록 패턴화되었다. 모두 계면활성제를 구비한 물, HFE-7500, 물, 및 HFE-7500이 각각 내측상에 대해 4000 ㎕/hr, 제1 중간상에 대해 3000 ㎕/hr, 제2 중간상에 대해 3000 ㎕/hr, 연속상에 대해 7500 ㎕/hr의 유량으로, 제1, 제2, 제3, 및 제4 입구 내에서 장치 내로 주입되었다. 이는 첫 번째 2개의 접합부에 대해 {We_in, Ca_out} > 1을 그리고 두 번째 2개의 접합부에 대해 {We_in, Ca_out} < 1을 보장하여, 하나의 적하 불안정성만이 존재하였다. 이는 제3 접합부 내에서 삼중 분출물을 생성하였고, 이때 도 5b에 도시된 바와 같이, 물 분출물은 오일 분출에 의해 둘러싸이고, 오일 분출물은 다른 물 분출물에 의해 둘러싸이고, 다른 물 분출물은 오일 연속상에 의해 둘러싸인다. 이중 분출물에서와 같이, 삼중 분출물은 그가 접합부로 진입할 때 좁아졌다. 이는 t = 250 ㎲에서 내측 분출물이 분해되고, t = 625 ㎲에서 중간 분출물이 분해되고, 그 다음 t = 750 ㎲에서 외측 분출물이 분해되게 하여, 도 5b에 도시된 바와 같이 삼중 에멀션을 생성하였다. 이러한 유형의 1단계 형성은 따라서 각각의 분출물에 대해 그들이 불안정한 폭에 도달할 때 일련의 핀칭 이벤트를 포함하였다.

예 3

상이한 종류의 1단계 형성이 내측 분출물이 외측 분출물보다 더 안정될 때 발생하는 것으로 발견되었다. 이는 내측상이 매우 안정된 분출물을 형성하는 유체로 구성될 때 발생하였고, 이는 그러한 유체가 매우 점성이거나, 점탄성이거나, 낮은 표면 장력을 갖기 때문이었다. 이러한 종류의 1단계 형성을 예시하기 위해, 이중 분출물의 내측상은 이러한 예에서 옥탄올로 대체되었다. 옥탄올은 공기에 대해, 물에서 매우 낮은 표면 장력을 가져서, 매우 안정된 분출물을 형성하도록 허용되고, 다른 미세 유체 기술에 의해 에멀션화하는 것이 매우 어렵게 된다. 옥탄올을 이중 유동 포커스 장치 내로 내측상으로서 주입함으로써, 이중 분출물이 생성되었고, 이때 내측 분출물은 외측 분출물보다 더 안정적이었다 (도 7a). 외측 분출물이 액적 내로 핀칭되기 시작함에 따라, 이는 내측 분출물에 대해 압착하여, 그를 액적 내로 핀칭되게 하였다. 이는 도 7a에 도시된 바와 같이, 그의 핵심에서 옥탄올 액적을 구비한 이중 에멀션을 생성하였다.

적하 불안정성이 이중 분출물을 분해하기 위해 사용되었기 때문에, 이중 에멀션은 그의 핵심에서의 옥탄올 액적에서와 같이, 단분산이었다. 이는 본질적으로 옥탄올과 같은 "어려운" 유체가 그를 에멀션화가 더 쉬운 유체 내에 감쌈으로써 제어 가능하게 에멀션화되도록 허용한다. 이는 또한 점탄성 중합체 유체와 같은 다른 어려운 유체에 적용될 수 있다. 이러한 유체는 미세 유체 장치 내에서 형성된 에멀션으로부터 입자 또는 캡슐을 템플레이팅할 때 필요하지만; 그의 점탄성 특성으로 인해, 점탄성 분출물이 전단되어 액적을 분해할 때, 그의 점성이 증가하여 액적 형성에 저항하기 때문에, 제어 가능하게 에멀션화하는 것이 어려울 수 있다. 그러나, 물 분출물 내에 점탄성 분출물을 감쌈으로써, 이 또한 제어 가능하게 에멀션화될 수 있다.

이는 물 속의 10 중량%의 농도의 폴리에틸렌 글라이콜(PEG)(Mw = 5000 g/mol)을 사용하여 실험적으로 입증되었다. 물 분출물이 액적 내로 핀칭됨에 따라, 이는 도 7b에 도시된 바와 같이, 점탄성 분출물을 액적 내로 핀칭시켰다. 이는 그의 코어에서 점탄성 액적을 구비한 이중 에멀션을 생성하였다. 이중 에멀션은 또한 그의 코어를 방출하도록 분해될 수 있어서, 점탄성 액적의 단분산 집단(monodisperse population)을 산출하였다.

이러한 상이한 1단계 핀칭 공정의 동적 특성을 정량화하기 위해, 분출물 폭은 분할 중에 시간의 함수로서 측정되었다. 이른 핀칭 공정에서, 내측 및 외측 분출물은 도 8a에 도시된 바와 같이 함께 좁아졌다. 내측 분출물이 불안정한 폭에 도달했을 때, 그는 분해되어 신속하게 좁아지고 액적을 형성하였다. 흥미롭게도, 이는 외측 분출물의 약간의 광폭화와 일치하여, 추가의 중간상이 도 8a에 도시된 바와 같이, 내측 분출물의 붕괴에 의해 남겨진 공극 내로 들어감을 보여준다.

궁극적으로, 외측 분출물 또한 붕괴되어, 이중 에멀션을 형성한다. 삼중 에멀션의 경우에, 이는 도 8b에 도시된 바와 같이, 제3 분출물의 다른 광폭화 및 다음의 붕괴가 이어졌다. 내측 및 외측 분출물에 대한 붕괴의 함수 형태는 동일하고, 1/2의 지수에 의한 멱법칙(power law)에 맞춰지는 것으로 보였다. 이는 레일리-플라토(Rayleigh-Plateau) 불안정성으로 인해 단일 분출물의 분해와 일치하여, 이러한 유형의 다중 분출물 분해가 독립적인 분할의 결과로 발생함을 제안한다.

내측 분출물이 외측 분출물보다 더 안정적일 때, 핀칭 동적 특성들이 상이하였다. 옥탄올 분출물의 경우에, 도 8c에 도시된 바와 같이, 양 분출물의 장시간 협폭화 및 이어지는 갑작스런 붕괴가 있었다. 이러한 분출물의 붕괴의 함수 형태는 또한 2/5의 지수를 구비한 멱법칙에 맞춰질 수 있었다. 이는 핀칭 동적 특성이 잠재적으로 내측 및 외측 분출물들 사이의 상호 작용을 포함하여, 더 복잡함을 표시하였다. 점탄성 분출물의 경우에, 붕괴는 훨씬 더 느렸고; 다시, 도 8d에 도시된 바와 같이, 내측 분출물의 점탄성 응답으로 인해, 장기간 협폭화가 있었지만, 이번에는 매우 느린 붕괴가 이어졌다. 이러한 붕괴 또한 멱법칙에 맞춰졌지만, 이번에는 지수는 1을 초과하였고; 다른 분출물과 대조적으로, 이러한 분출물의 붕괴는 도 8d에 도시된 바와 같이, 분할로의 접근 시에 감속되었다. 이는 1단계 형성이 다양한 유체를 구비한 단분산 이중 에멀션을 생성할 수 있지만, 분할 공정의 동적 특성은 유체 특성에 의존함을 보여준다. 내측상이 매우 안정된 분출물을 형성하는 유체로 구성될 때, 내측 및 외측 상은 내측 분출물이 낮은 표면 장력을 갖거나 (도 8c) 점탄성일 때 (도 8d), 그러한 바와 같이, 동일한 시간에 분해된다. 도 8의 모든 붕괴는 멱법칙에 맞춰지고, 지수 β가 도시되어 있다.

따라서, 이러한 예는 다중 에멀션이 적하 불안정성을 제어함으로써 상이한 공정에서 미세 유체 장치 내에서 형성될 수 있음을 보여주었다. 복수의 불안정성이 존재하면, 에멀션은 다단계 공정에서 형성되고, 하나가 존재하면, 에멀션은 1단계 공정에서 형성된다. 1단계 공정에 대한 장점은 다중 에멀션의 껍질 두께가 넓은 범위에 걸쳐 제어되도록 허용하는 것이다. 이는 입자 또는 캡슐 합성과 같은 용도에 대해 유용하다. 1단계 형성은 또한 단분산 액적이 점탄성 유체와 같은 에멀션화하기가 통상 매우 어려운 유체로부터 형성되는 것을 허용한다. 이는 예를 들어 흔히 점탄성인 장쇄 중합체 유체의 에멀션화를 요구하는 미세 유체를 구비한 새로운 종류의 입자를 생성하는데 유용하다.

본 발명의 여러 실시예가 본원에서 설명되고 도시되었지만, 본 기술 분야의 당업자는 본원에서 설명된 기능을 수행하고 그리고/또는 결과 및/또는 하나 이상의 장점을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 생각할 것이고, 각각의 그러한 변경 및/또는 변형은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다. 더 일반적으로, 본 기술 분야의 당업자는 본원에서 설명된 모든 파라미터, 치수, 재료, 및 구성은 예시적인 것으로 의도되고, 실제 파라미터, 치수, 재료, 및/또는 구성은 본 발명의 내용이 사용되는 구체적인 용도 또는 용도들에 의존할 것임을 쉽게 이해할 것이다. 본 기술 분야의 당업자는 단지 통상적인 실험을 사용하여, 본원에서 설명된 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 많은 등가물을 인식하거나 확인할 수 있다. 그러므로, 상기 실시예는 단지 예시적으로 제시되었고, 첨부된 특허청구범위 및 그에 대한 등가물의 범주 내에서, 본 발명은 구체적으로 설명되고 청구된 바와 달리 실시될 수 있음을 이해하여야 한다. 본 발명은 본원에서 설명된 각각의 개별적인 특징부, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 2개 이상의 그러한 특징부, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법의 임의의 조합은, 그러한 특징부, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법이 상호 불일치하지 않으면, 본 발명의 범주 내에 포함된다.

본원에서 정의되고 사용된 바와 같은 모든 정의는 사전적인 정의, 참조로 통합된 문헌의 정의, 및/또는 정의된 용어의 통상적인 의미에 대해 우선하는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 및 특허청구범위에서 본원에서 사용되는 바와 같은 부정관사는 명확히 대조적으로 표시되지 않으면, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 및 특허청구범위에서 본원에서 사용되는 바와 같은 "및/또는"이라는 문구는 그렇게 결합된 요소들, 즉 몇몇 경우에 결합되어 존재하고 다른 경우에 분리되어 존재하는 요소들 중 "하나 또는 모두"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"으로 나열된 복수의 요소들은 동일한 방식으로 해석되어야 하고, 즉 요소들 중 "하나 이상"이 그렇게 결합된다. "및/또는" 문구에 의해 구체적으로 식별된 요소 이외의 다른 요소들이 구체적으로 식별된 그러한 요소들에 관련이 있거나 없든지 간에, 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 참조는 "포함하는"과 같은 개방형 단어와 함께 사용될 때, 일 실시예에서 (B 이외의 요소를 선택적으로 포함하는) A만을; 다른 실시예에서 (A 이외의 요소를 선택적으로 포함하는) B만을; 또 다른 실시예에서 (다른 요소들을 선택적으로 포함하는) A 및 B를 지칭할 수 있다.

명세서 및 특허청구범위에서 본원에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 위에서 정의된 바와 같이 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록 내에서 품목들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로, 즉 다수의 또는 열거된 요소들 중 1개 초과를 포함하는 적어도 하나 그리고 선택적으로 추가의 미열거된 항목의 포함으로서 해석되어야 한다. "~ 중 단지 하나" 또는 "~ 중 정확히 하나" 또는 특허청구범위 내에서 사용될 때 "~로 구성된"과 같은 대조적으로 명확히 표시된 용어만이 다수의 또는 열거된 요소들 중 정확히 하나의 요소의 포함을 지칭할 것이다. 대체로, 본원에서 사용되는 바와 같은 "또는"이라는 용어는 "각", "~ 중 하나", "~ 중 단지 하나", 또는 "~ 중 정확히 하나"와 같은 배타적인 용어가 선행될 때, 배타적인 대안 (즉, "모두가 아닌 하나 또는 다른 하나")를 표시하는 것으로 해석되어야 한다. "~로 본질적으로 구성된"은 특허청구범위 내에서 사용될 때, 특허법의 분야에서 사용되는 바와 같은 그의 통상적 의미를 가질 것이다.

명세서 및 특허청구범위 내에서 본원에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소들의 목록을 참조하는 "적어도 하나"라는 문구는 요소들의 목록 내의 요소들 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 요소들의 목록 내에서 구체적으로 열거된 각각의 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하지는 않으며 요소들의 목록 내의 요소들의 임의의 조합을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 정의는 또한 구체적으로 식별된 요소들에 관련이 있거나 없든지 간에, "적어도 하나"라는 문구가 지칭하는 요소들의 목록 내에서 구체적으로 식별된 요소 이외의 요소가 선택적으로 존재할 수 있음을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나" (또는 동등하게는, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 동등하게는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는 일 실시예에서 B가 존재하지 않으며 (B 이외의 요소를 선택적으로 포함하는), 하나를 초과하는 것을 선택적으로 포함하는 적어도 하나의 A; 다른 실시예에서 A가 존재하지 않으며 (A 이외의 요소를 선택적으로 포함하는) 하나를 초과하는 것을 선택적으로 포함하는 적어도 하나의 B; 또 다른 실시예에서 하나를 초과하는 것을 선택적으로 포함하는 적어도 하나의 A 및 하나를 초과하는 것을 선택적으로 포함하는 적어도 하나의 B (및 다른 요소를 선택적으로 포함하는) 것 등을 지칭할 수 있다.

명확히 대조적으로 표시되지 않으면, 하나를 초과하는 단계 또는 작용을 포함하는 본원에서 청구되는 임의의 방법에서, 방법의 단계 또는 작용들의 순서는 방법의 단계 또는 작용들이 언급된 순서로 반드시 제한되지 않음을 또한 이해하여야 한다.

특허청구범위 및 상기 명세서에서, "포함하는", "보유하는", "갖는", "함유하는", "유지하는", "~로 구성된" 등과 같은 모든 연결구는 개방형으로, 즉 포함하지만 제한되지 않음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "~로 구성된" 및 "~로 본질적으로 구성된"이라는 연결구만이 각각 특허 심사 절차, 섹션 2111.03의 미국 특허청 매뉴얼에 설명되어 있는 바와 같이, 폐쇄형 또는 반폐쇄형 연결구이다.

Claims (60)

1. 주 미세 유체 채널과,
   제1 교차부에서 주 미세 유체 채널과 교차하는 적어도 하나의 제1 부 미세 유체 채널과,
   제1 교차부와 구분되는 제2 교차부에서 주 미세 유체 채널과 교차하는 적어도 하나의 제2 부 미세 유체 채널을 포함하고,
   제2 교차부는 주 미세 유체 채널을 제1 측면 상의 제1 부분 및 제2 교차부의 대향 측면 상의 제2 부분으로 분리하고, 제1 부분은 제1 교차부와 제2 교차부 사이에서 주 미세 유체 채널의 측면 상에 형성되고,
   주 미세 유체 채널의 제2 부분은 주 미세 유체 채널의 제1 부분의 평균 단면 치수에 비해, 주 미세 유체 채널의 제1 부분의 평균 단면 치수보다 약 5%와 약 20% 사이로 더 큰 평균 단면 치수를 갖고,
   주 미세 유체 채널의 제1 부분은 제1 친수성을 갖고, 주 미세 유체 채널의 제2 부분은 제1 친수성과 상이한 제2 친수성을 갖는 장치.
2. 제1항에 있어서, 장치는 제1 교차부에서 주 미세 유체 채널과 교차하는 2개의 제1 부 미세 유체 채널로 구성되는 장치.
3. 제2항에 있어서, 2개의 제1 부 미세 유체 채널은 각각 주 미세 유체 채널에 대해 실질적인 직각으로 주 미세 유체 채널과 교차하는 장치.
4. 제1항에 있어서, 장치는 제1 교차부에서 주 미세 유체 채널과 교차하는 2개의 제2 부 미세 유체 채널로 구성되는 장치.
5. 제4항에 있어서, 2개의 제2 부 미세 유체 채널은 각각 주 미세 유체 채널에 대해 실질적인 직각으로 주 미세 유체 채널과 교차하는 장치.
6. 제1항에 있어서, 주 미세 유체 채널의 제1 부분은 상대적으로 친수성이고, 주 미세 유체 채널의 제2 부분은 상대적으로 소수성인 장치.
7. 제1항에 있어서, 주 미세 유체 채널의 제1 부분은 상대적으로 친수성이고, 주 미세 유체 채널의 제2 부분은 상대적으로 소수성인 장치.
8. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 교차부와 구분되는 제3 교차부에서 주 미세 유체 채널과 교차하는 적어도 하나의 제3 부 미세 유체 채널을 추가로 포함하는 장치.
9. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 제3 부 미세 유체 채널 및 적어도 하나의 제2 부 미세 유체 채널은 실질적으로 동일한 친수성을 갖는 장치.
10. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 제3 부 미세 유체 채널 및 적어도 하나의 제2 부 미세 유체 채널은 실질적으로 동일한 평균 단면 치수를 갖는 장치.
11. 주 미세 유체 채널 내에 제1 유체를 제공하는 단계와,
    제1 유체가 분리된 액적을 형성하게 하지 않으면서, 제1 유체가 제2 유체에 의해 둘러싸이게 하도록, 주 미세 유체 채널과 제2 유체를 포함하는 적어도 하나의 제1 부 미세 유체 채널의 제1 교차부로 제1 유체를 유동시키는 단계와,
    제1 및 제2 유체가 분리된 액적을 형성하게 하지 않으면서, 제2 유체가 제3 유체에 의해 둘러싸이게 하도록, 주 미세 유체 채널과 제3 유체를 포함하는 적어도 하나의 제2 부 미세 유체 채널의 제2 교차부로 제1 및 제2 유체를 유동시키는 단계와,
    제1 및 제2 유체가, 제1 유체는 제2 유체 내에 포함되고 제2 유체는 제3 유체 내에 포함되는 개별 액적을 형성하게 하는 단계를 포함하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 제1 및 제2 유체가 개별 액적을 형성하게 하는 단계는 주 미세 유체 채널과 제4 유체를 포함하는 적어도 하나의 제3 부 미세 유체 채널의 제3 교차부로 제1, 제2, 및 제3 유체를 유동시키는 단계를 포함하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 제3 유체 및 제4 유체는 실질적으로 동일한 방법.
14. 제11항에 있어서, 제1 및 제2 유체가 개별 액적을 형성하게 하는 단계는 제1, 제2, 및 제3 유체가 분출 조건 하에서 제2 교차부를 떠나게 하는 단계를 포함하는 방법.
15. 제11항에 있어서, 제1 및 제2 유체가 개별 액적을 형성하게 하는 단계는 제1, 제2, 및 제3 유체가 유체들의 웨버 수가 1을 초과하는 조건 하에서 제2 교차부를 떠나게 하는 단계를 포함하는 방법.
16. 제11항에 있어서, 제2 교차부 하류의 주 미세 유체 채널은 제2 교차부 상류의 주 미세 유체 채널의 평균 단면 치수에 비해, 제2 교차부 상류의 주 미세 유체 채널의 평균 단면 치수보다 약 5%와 약 20% 사이로 더 큰 평균 단면 치수를 갖는 방법.
17. 제11항에 있어서, 제2 교차부 상류의 주 미세 유체 채널은 제1 친수성을 갖고, 제2 교차부 하류의 주 미세 유체 채널은 제1 친수성과 상이한 제2 친수성을 갖는 방법.
18. 제11항에 있어서, 제1 유체는 제3 유체와 접촉하지 않는 방법.
19. 제11항에 있어서, 제2 유체는 제3 유체에 의해 둘러싸인 후에 채널 벽과 접촉하지 않는 방법.
20. 제11항에 있어서, 제1 유체와 제2 유체는 실질적으로 혼합 불가능한 방법.
21. 제11항에 있어서, 제2 유체와 제3 유체는 실질적으로 혼합 불가능한 방법.
22. 제11항에 있어서, 제1 및 제2 유체는 제3 유체와 접촉하기 전에 실질적으로 동일 선상으로 유동하는 방법.
23. 제11항에 있어서, 실질적으로 모든 개별 액적은 각각 약 1 mm 이하의 평균 직경을 갖는 방법.
24. 제11항에 있어서, 제1, 제2, 또는 제3 유체 중 적어도 하나는 내부에 종을 포함하는 방법.
25. 제11항에 있어서, 미세 유체 채널은 약 1mm 이하의 평균 단면 치수를 갖는 방법.
26. 제11항에 있어서, 미세 유체 채널은 약 300 마이크로미터 이하의 평균 단면 치수를 갖는 방법.
27. 제11항에 있어서, 미세 유체 채널은 약 100 마이크로미터 이하의 평균 단면 치수를 갖는 방법.
28. 제11항에 있어서, 미세 유체 채널은 약 30 마이크로미터 이하의 평균 단면 치수를 갖는 방법.
29. 제11항에 있어서, 제1 유체를 미세 유체 채널을 통해 흡인하는 압력은 대기압 미만인 방법.
30. 제11항에 있어서, 개별 액적은 액적들 중 약 10% 이하가 평균 치수의 약 10%를 초과하는 직경을 갖도록 직경 분포를 갖는 방법.
31. 제3 유체 액적에 의해 둘러싸인 제2 유체 액적에 의해 둘러싸인 제1 유체 액적을 포함하고, 제1 유체 액적은 약 40 mN/m 이하의 25℃에서의 공기 중의 표면 장력을 갖는 유체를 포함하는, 물품.
32. 제31항에 있어서, 제2 유체 액적은 직경이 약 1 mm 미만인 특징적인 치수를 갖는 물품.
33. 제31항에 있어서, 제2 유체 액적은 직경이 약 100 마이크로미터 미만인 특징적인 치수를 갖는 물품.
34. 제31항에 있어서, 제2 유체 액적은 직경이 약 10 마이크로미터 미만인 특징적인 치수를 갖는 물품.
35. 제31항에 있어서, 제2 유체 액적은 직경이 약 1 마이크로미터 미만인 특징적인 치수를 갖는 물품.
36. 제31항에 있어서, 제2 유체 액적은 계면활성제가 본질적으로 없는 물품.
37. 제31항에 있어서, 제1 유체 액적은 옥탄올을 포함하는 물품.
38. 제31항에 있어서, 표면 장력은 약 30 mN/m 이하인 방법.
39. 제31항에 있어서, 표면 장력은 약 25 mN/m 이하인 방법.
40. 제3 유체에 의해 둘러싸인 제2 유체에 의해 둘러싸인 제1 유체를 포함하고, 제1 유체는 25℃에서의 공기 중의 제1 표면 장력을 갖고, 제2 유체는 25℃에서의 공기 중의 제2 표면 장력을 갖고, 제2 표면 장력은 제1 표면 장력의 적어도 2배인, 물품.
41. 제40항에 있어서, 제2 유체 액적은 직경이 약 1 mm 미만인 특징적인 치수를 갖는 물품.
42. 제40항에 있어서, 제2 유체 액적은 본질적으로 계면활성제가 없는 물품.
43. 제40항에 있어서, 제2 표면 장력은 제1 표면 장력의 적어도 2.5배인 물품.
44. 제40항에 있어서, 제2 표면 장력은 제1 표면 장력의 적어도 3배인 물품.
45. 제3 유체에 의해 둘러싸인 제2 유체에 의해 둘러싸인 제1 유체를 포함하고, 제1 유체는 적어도 20 mPa-s의 25℃에서의 점성을 갖는, 물품.
46. 제45항에 있어서, 제2 유체 액적은 직경이 약 1 mm 미만인 특징적인 치수를 갖는 물품.
47. 제45항에 있어서, 제2 유체 액적은 계면활성제가 본질적으로 없는 물품.
48. 제45항에 있어서, 제1 유체는 적어도 100 mPa-s의 25℃에서의 점성을 갖는 물품.
49. 제45항에 있어서, 제1 유체는 적어도 10⁴ mPa-s의 25℃에서의 점성을 갖는 물품.
50. 제45항에 있어서, 제1 유체는 점탄성인 물품.
51. 제45항에 있어서, 제1 유체는 적어도 0.01 GPa의 25℃에서의 탄성 계수를 갖는 물품.
52. 제45항에 있어서, 제1 유체는 적어도 0.1 GPa의 탄성 계수를 갖는 물품.
53. 제45항에 있어서, 제1 유체는 적어도 1 GPa의 탄성 계수를 갖는 물품.
54. 제45항에 있어서, 제1 유체는 적어도 10 GPa의 탄성 계수를 갖는 물품.
55. 다중 에멀션을 만드는 방법이며,
    제2 유체가 제3 유체에 의해 둘러싸여 있는 동안 제2 유체 의해 둘러싸인 제1 유체로부터 제1 액적을 형성하는 단계를 포함하고, 제1 유체는 약 40 mN/m 이하의 25℃에서의 공기 중에서의 표면 장력을 갖는, 방법.
56. 다중 에멀션을 만드는 방법이며,
    제2 유체가 제3 유체에 의해 둘러싸여 있는 동안 제2 유체에 의해 둘러싸인 제1 유체로부터 제1 액적을 형성하는 단계를 포함하고, 제1 유체는 25℃에서의 공기 중의 제1 표면 장력을 갖고, 제2 유체는 25℃에서의 공기 중의 제2 표면 장력을 갖고, 제2 표면 장력은 제1 표면 장력의 적어도 2배인, 방법.
57. 다중 에멀션을 만드는 방법이며,
    제2 유체가 제3 유체에 의해 둘러싸여 있는 동안 제2 유체에 의해 둘러싸인 제1 유체로부터 제1 액적을 형성하는 단계를 포함하고, 제1 유체는 적어도 20 mPa-s의 25℃에서의 점성 및 적어도 0.01 GPa의 25℃에서의 탄성 계수를 갖는, 방법.
58. 제1 유체의 이산된 액적들을 포함하는 제2 유체를 포함하고, 제1 유체의 이산된 액적들 중 적어도 약 90%는 이산된 액적들 중 약 10% 이하가 이산된 액적들의 평균 치수의 약 10%를 초과하는 치수를 갖도록 직경 분포를 갖고, 제1 유체는 약 40 mN/m 이하의 25℃에서의 공기 중의 표면 장력을 갖는, 물품.
59. 제1 유체의 이산된 액적들을 포함하는 제2 유체를 포함하고, 제1 유체의 이산된 액적들 중 적어도 약 90%는 이산된 액적들 중 약 10% 이하가 이산된 액적들의 평균 치수의 약 10%를 초과하는 치수를 갖도록 직경 분포를 갖고, 제1 유체는 25℃에서의 공기 중의 제1 표면 장력을 갖고, 제2 유체는 25℃에서의 공기 중의 제2 표면 장력을 갖고, 제2 표면 장력은 제1 표면 장력의 적어도 2배인, 물품.
60. 제1 유체의 이산된 액적들을 포함하는 제2 유체를 포함하고, 제1 유체의 이산된 액적들 중 적어도 약 90%는 이산된 액적들 중 약 10% 이하가 이산된 액적들의 평균 치수의 약 10%를 초과하는 치수를 갖도록 직경 분포를 갖고, 제1 유체는 적어도 20 mPa-s의 25℃에서의 점성 및 적어도 0.01 GPa의 25℃에서의 탄성 계수를 갖는, 물품.

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