一種用于固體內(nèi)核包裹的毛細(xì)管微流控裝置及制備方法與流程

本發(fā)明屬于雙重乳液技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種為解決當(dāng)前乳液制備技術(shù)包覆固體內(nèi)核可控性差、適應(yīng)性窄的問題而設(shè)計(jì)的具有毛細(xì)管組裝結(jié)構(gòu)和共軸聚焦式微通道特征的微流控裝置。

背景技術(shù)：

雙重乳液是一種液滴嵌套結(jié)構(gòu)的多相體系，通過分散相外液滴包裹著更小內(nèi)液滴，兩相流體就構(gòu)成了核殼微結(jié)構(gòu)。由于核殼微結(jié)構(gòu)可以有效保護(hù)內(nèi)液滴不同外部環(huán)境發(fā)生物理、化學(xué)等反應(yīng)，所以被廣泛用于藥物輸運(yùn)、化學(xué)隔離、生物模板、細(xì)胞培養(yǎng)及為反應(yīng)器等領(lǐng)域。

目前雙重乳液的制備方法已經(jīng)很完善，通過使用不同的方法，可以進(jìn)行大批量的乳液生產(chǎn)或者進(jìn)行單分散雙重乳液制備。常用的雙重乳液的制備方法有3種，包括：整體多步乳化法、多步膜乳化法和微流控乳化法。

多步膜乳化法是通過對(duì)分散相液體加壓，使其在受壓多孔膜時(shí)發(fā)生乳化，這種方法只能用于制得三相均為液相型雙重乳液。整體多步乳化法通過機(jī)械攪拌，不僅可以制得三相均為液相型雙重乳液，還能通過將內(nèi)相流體替換固體球，制備三相分別為固-液-液的雙重乳液。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)大批量雙重乳液連續(xù)生產(chǎn)，然而由于攪拌中剪切力不均勻，所以對(duì)于雙重乳液結(jié)構(gòu)和單分散性控制很不理想。

為了提高雙重乳液的單分散性，并實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的雙重乳液制備，性能優(yōu)異的微流控乳化法被運(yùn)用在乳液制備中。通過對(duì)微通道中多相流體的剪切，實(shí)現(xiàn)“一步法”制備雙重乳液，從而制得結(jié)構(gòu)、尺寸符合要求的雙重乳液。目前，微流控法的運(yùn)用主要還是針對(duì)液相流體，針對(duì)固體內(nèi)核的包裹還有待開發(fā)。為此，迫切需要開發(fā)既能實(shí)現(xiàn)對(duì)固體內(nèi)核的包裹，同時(shí)生成的雙重乳液有具有較好的結(jié)構(gòu)可控性和多工況適用性的針對(duì)固體內(nèi)核包裹的雙重乳液制備方法。

由于微流控乳化法制備的乳液結(jié)構(gòu)可控且形貌優(yōu)秀，因此，本發(fā)明吸納微流控乳化法的思想，將不同毛細(xì)管組裝，構(gòu)成共軸聚焦式微通道，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固體內(nèi)核的穩(wěn)定、高效的包裹。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供了一種用于固體內(nèi)核包裹的具有毛細(xì)管組裝結(jié)構(gòu)和共軸聚焦式微通道特征的微流控裝置。該裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)固體內(nèi)核的包裹，同時(shí)還能對(duì)固體內(nèi)核的數(shù)目進(jìn)行控制，以獲取不同結(jié)構(gòu)特征的雙重乳液。

技術(shù)方案

為解決傳統(tǒng)固體球包裹技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種用于固體內(nèi)核包裹的毛細(xì)管微流控裝置，包括內(nèi)相毛細(xì)管以及外相毛細(xì)管，所述內(nèi)相毛細(xì)管構(gòu)成內(nèi)相微通道，其特征在于：還包括一連接毛細(xì)管，所述內(nèi)相毛細(xì)管和所述外相毛細(xì)管從所述連接毛細(xì)管的兩側(cè)插入并間隔開構(gòu)成乳化區(qū)，所述乳化區(qū)的長(zhǎng)度為n，0.5d₂<n<1.5d₂，d₂為內(nèi)相毛細(xì)管的外徑，乳化區(qū)內(nèi)的內(nèi)相毛細(xì)管和外相毛細(xì)管的端部均為錐形，錐度為k，其中15°<k<60°，在所述外相毛細(xì)管與連接毛細(xì)管之間形成有出口位于所述乳化區(qū)的外相微通道，所述內(nèi)相毛細(xì)管內(nèi)徑d₁與所述外相毛細(xì)管內(nèi)徑D₁的關(guān)系為：d₁=D₁-h，其中，h=100-300μm。

所述連接毛細(xì)管為方管，內(nèi)相毛細(xì)管的外徑d₂與方管的內(nèi)方孔的邊長(zhǎng)l之間的關(guān)系為：d₂=l-m，其中，m=5-35μm。

所述內(nèi)相毛細(xì)管、外相毛細(xì)管以及連接毛細(xì)管通過點(diǎn)膠針頭整體連接后固定在一載玻片上。

在所述內(nèi)相毛細(xì)管的輸入端連接有一內(nèi)相注射泵，在所述外相微通道的入口連接有一外相注射泵，在所述外相毛細(xì)管的出口連接有一乳液收集器。

所述內(nèi)相毛細(xì)管、外相毛細(xì)管和連接毛細(xì)管均為玻璃毛細(xì)管。

所述外相毛細(xì)管內(nèi)徑D₁（流體通道）沿乳化區(qū)向流體出口方向漸擴(kuò)的錐形，錐度為q，其中5°<q<30°。

一種采用上述任一所述的毛細(xì)管微流控裝置制備微球的方法，其特征在于：將包含有固體球的內(nèi)相液通過內(nèi)相注射泵注入內(nèi)相毛細(xì)管，將外相液通過外相注射泵注入外相微通道，并調(diào)節(jié)各外相液和內(nèi)相液的流量，實(shí)現(xiàn)固體球的單包裹以及多包裹。

通過對(duì)毛細(xì)管進(jìn)行表面改性，應(yīng)用于固-水-油及固-水-水雙重乳液體系。

本發(fā)明一種用于固體內(nèi)核包裹的毛細(xì)管微流控裝置，

微流控孔芯片采用毛細(xì)管組裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，極大地降低了微流控芯片制造的難度。內(nèi)相毛細(xì)管通道較為平直，保證固體球在內(nèi)相微通道中的輸運(yùn)順利，不受阻礙。外相毛細(xì)管通道具有一定的漸括性，保證聚焦式結(jié)構(gòu)的形成。

當(dāng)固體球通過所述的內(nèi)相注射泵進(jìn)入所述的內(nèi)相微通道，并在所述的乳化區(qū)，通過內(nèi)相流體和外相流體之間的剪切作用，實(shí)現(xiàn)雙重乳液的生成。通過調(diào)節(jié)各相流速可以實(shí)現(xiàn)多核包裹。通過對(duì)毛細(xì)管進(jìn)行表面改性，可以應(yīng)用于固-水-油及固-水-水雙重乳液體系。

內(nèi)相圓形毛細(xì)管、外相方形毛細(xì)管和方管均為玻璃毛細(xì)管，有利用通過簡(jiǎn)單的處理，實(shí)現(xiàn)微通道的表面改性。

有益效果：

本發(fā)明公開了一種用于固體內(nèi)核包裹的毛細(xì)管微流控裝置，具有以下有益效果：

1.本發(fā)明采用微流控技術(shù)制備單分散含固核雙重乳液，通過構(gòu)建共軸聚焦式乳化結(jié)構(gòu)，固體球在運(yùn)動(dòng)過程中被牢牢鎖定，為有效且高質(zhì)量包裹固體核提供了一種新方法。

2.本發(fā)明采用嵌套結(jié)構(gòu)，內(nèi)相毛細(xì)管與外相毛細(xì)管的外徑與方形連接管的內(nèi)棱長(zhǎng)匹配，可以實(shí)現(xiàn)玻璃毛細(xì)管同軸化固定；其中，內(nèi)相及外相毛細(xì)管處于乳化區(qū)內(nèi)的部分均采用錐度端口，利于實(shí)現(xiàn)聚焦式結(jié)構(gòu)；同時(shí)采用漸括微通道，提供固核剪切力，促進(jìn)乳液形成。

3.本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)固-水-油及固-油-水雙重乳液體系，拓展了固體球包裹技術(shù)的使用范圍。

4.本發(fā)明通過調(diào)節(jié)各相流速，可以精確控制雙重乳液的尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)固體球的多核包裹，可以用于構(gòu)造更復(fù)雜的雙重乳液體系。

5.本發(fā)明采用組裝法構(gòu)建微流控芯片，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，通過常規(guī)手段就可以構(gòu)建微流控芯片，易于實(shí)現(xiàn)大批量、工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1一種用于固體內(nèi)核包裹的毛細(xì)管微流控裝置示意圖。

圖2微流控芯片示意圖。

圖3毛細(xì)管組裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是連接毛細(xì)管與外相毛細(xì)管的連接示意圖。

圖5固體內(nèi)核單核包裹實(shí)施例1示意圖。

圖6固體內(nèi)核二核包裹實(shí)施例2示意圖。

圖7固體內(nèi)核三核包裹實(shí)施例3示意圖。

圖8固體內(nèi)核四核包裹實(shí)施例4示意圖。

圖中1.內(nèi)相注射泵；2.外相注射泵；3.微流控芯片；4.乳液收集器；5.載玻片；6.點(diǎn)膠針頭；7.內(nèi)相圓形毛細(xì)管；8. 方管；9.外相圓形毛細(xì)管；10.內(nèi)相溶液；11.固核；12.外相微通道進(jìn)口。

具體實(shí)施方式:

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)例進(jìn)行更進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能夠更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解：

圖1給出了一種用于固體內(nèi)核包裹的毛細(xì)管微流控裝置示意圖，具體結(jié)構(gòu)包括內(nèi)相注射泵1；外相注射泵2；微流控芯片3；乳液收集器4。內(nèi)相注射泵1與微流控芯片3的內(nèi)相微通道進(jìn)口相連，外相注射泵2與微流控芯片3的外箱微通道相連，乳液收集器4與微流控芯片3的出口微通道相連。

圖2給出了微流控芯片示意圖，具體結(jié)構(gòu)包括載玻片5；點(diǎn)膠針頭6；內(nèi)相毛細(xì)管7；方管8；外相毛細(xì)管9。內(nèi)相圓形毛細(xì)管7和外相圓形毛細(xì)管9從方管8的兩側(cè)插入并構(gòu)成乳化區(qū)，整體固定于載玻片5的表面，然后用點(diǎn)膠針頭6，分別將方管8與內(nèi)相圓形毛細(xì)管7和外相圓形毛細(xì)管9之間的接頭處封住，內(nèi)相圓形毛細(xì)管7構(gòu)成內(nèi)相微通道，外相圓形毛細(xì)管9與方管8之間的點(diǎn)膠針頭6外相圓形毛細(xì)管9成外相微通道。

圖3、圖4給出了毛細(xì)管組裝結(jié)構(gòu)示意圖，具體結(jié)構(gòu)內(nèi)相毛細(xì)管7；方管8；外相毛細(xì)管9。內(nèi)相圓形毛細(xì)管7和外相圓形毛細(xì)管9從方管8的兩側(cè)插入并構(gòu)成乳化區(qū)，內(nèi)相圓形毛細(xì)管7和外相圓形毛細(xì)管9的外徑與方管8內(nèi)棱長(zhǎng)匹配，即d₂=l-m，D₂=l-m，其中，m=5-35μm，以保證組裝所述的內(nèi)相毛細(xì)管和所述的外相毛細(xì)管共軸；乳化區(qū)中，內(nèi)相圓形毛細(xì)管7和外相圓形毛細(xì)管9的均為錐形，錐度為k，其中15°<k<60°并且間隔距離為n，0.5d₂<n<1.5d₂，構(gòu)成聚焦式結(jié)構(gòu)。

圖5-圖8給出了固體內(nèi)核包裹的4個(gè)實(shí)施例示意圖，下面結(jié)合附圖，進(jìn)行具體說明。

一種用于固體內(nèi)核包裹的毛細(xì)管微流控裝置的實(shí)施例具體實(shí)施步驟：

(1)配制相關(guān)溶液，針對(duì)固-水-油體系，固體球可選用PS固體球，內(nèi)相水溶液可選用2%PVA溶液，外相油溶液可選用粘度為50CS的二甲基硅油。針對(duì)固-油-水體系，固體球可選用PS固體球，內(nèi)相油溶液可選用乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA），外相水溶液可選用2%的PVA水溶液；

(2)針對(duì)固-水-油體系，將方管8和外相圓形毛細(xì)管9進(jìn)行疏水處理；針對(duì)固-油-水體系，將方管8和外相圓形毛細(xì)管9進(jìn)行親水處理；

(3)構(gòu)建毛細(xì)管微流控芯片，完成裝置搭建；

(4) 將固體球及配制的溶液對(duì)應(yīng)內(nèi)相、外相流通道注入，并調(diào)節(jié)各相流量，實(shí)現(xiàn)固體球的單包裹以及多包裹；

(5) 對(duì)生成的雙重乳液進(jìn)行收集，獲得包裹固體球后的雙重乳液。

圖5給出了固體內(nèi)核單核包裹實(shí)施例1，通過內(nèi)相注射泵1注入的固體內(nèi)核以及內(nèi)相水/油溶液，被通過注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，實(shí)現(xiàn)固體球單核包裹。實(shí)例中采用的內(nèi)相及外向流量分別為：0.5mL/h,5mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 17mL/h (固-油-水)。

圖6給出了固體內(nèi)核二核包裹實(shí)施例2，通過內(nèi)相注射泵1注入的固體內(nèi)核以及內(nèi)相水/油溶液，被通過注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，實(shí)現(xiàn)固體球二核包裹。實(shí)例中采用的內(nèi)相及外向流量分別為：0.5mL/h,2mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 9mL/h (固-油-水)。

圖7給出了固體內(nèi)核三核包裹實(shí)施例3，通過內(nèi)相注射泵1注入的固體內(nèi)核以及內(nèi)相水/油溶液，被通過注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，實(shí)現(xiàn)固體球二核包裹。實(shí)例中采用的內(nèi)相及外向流量分別為：0.5mL/h,1.5mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 7.5mL/h (固-油-水)。

圖8給出了固體內(nèi)核四核包裹實(shí)施例4，通過內(nèi)相注射泵1注入的固體內(nèi)核以及內(nèi)相水/油溶液，被通過注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，實(shí)現(xiàn)固體球二核包裹。實(shí)例中采用的內(nèi)相及外向流量分別為：0.5mL/h,1mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 6mL/h (固-油-水)。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。