CN102008983B - 适用于微胶囊生产的微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微胶囊生产的微流控芯片，包括微胶囊产生部分和油水两相分离部分，所述油水两相分离部分包括水相入口，水相入口通道、油相出口、油相出口通道、水相出口和分离通道，微胶囊产生部分和水相出口通过分离通道连接，水相入口通道和油相出口通道和分离通道连接，并且油相出口通道的宽度小于微胶囊的直径。在微通道油水两相接触面处，通过调节流速，形成的稳定油水界面，油相中的微胶囊由于受流体动力学作用，从油相进入水相，完成微胶囊的油水两相分离。本发明结构设计简单，实现了对油水两相微胶囊分离的高可控性和可操作性，从而为微胶囊生物样品（细胞、细菌等）包裹隔离、水相培养创造有利条件。

Description

适用于微胶囊生产的微流控芯片

技术领域

本发明属于微全分析领域，涉及一种微流控芯片的结构，尤其涉及一种适用于微胶囊油水两相分离的结构。

背景技术

微流控芯片技术起源于20世纪90年代，最初应用于分析化学领域，它以微通道为结构特征，以生命科学为主要研究对象，通过微机电加工工艺(MEMS)，将整个实验室的功能包括样片预处理、反应、分离、检测等集成在微芯片上，使分析速度得到极大提高，具有集成度高，试剂消耗少，制作成本低，分析效率高等特点，具有极为广泛的适用性和应用前景，是当前微全分析系统研究的重点。

微胶囊技术可以改善物质外观和提高性能，广泛应用于许多工业领域。通过对物质进行胶囊化，可以改善包囊物质的物理性质(颜色，外观，表观密度等)；提高物质的稳定性，耐久性。微胶囊能够储存药物等微细状态的物质，并在需要时进行释放。在生物领域，可以将细胞或者细菌包被进入微胶囊，从而避免生物活性物质免受环境的影响，改善包被物的反应活性和稳定性。

基于微流控芯片的微胶囊生产技术，利用微米尺度的通道设计，可以精确控制所产生微胶囊的大小，产生速率和形状，通过多次包被的方法，可以制造出多层的微胶囊，具有广泛的应用前景。然而目前在利用微流控芯片产生微胶囊的方法中，普遍采用油作为连续相，水作为分散相，通过油包被水产生微胶囊。油相的存在，会对微胶囊中生物活性和细胞的分泌代谢产生影响，因此需在微胶囊制备好后，将微胶囊从油相转移到水相。目前已有的方法，有化学方法(漂洗法，萃取法等)，物理方法(离心法，外加磁场，电场等)，这些方法存在操作复杂不连续，微加工技术要求高，需要对微胶囊进行修饰等不足，限制了微流控芯片的应用。因此，需要一种可以简易的、高效的实现微胶囊油水两相分离的微流控芯片。

发明内容

本发明所要解决的问题在于针对现有技术的不足，提供一种可以简易的、高效的实现微胶囊油水两相分离的微流控芯片。

本发明的适用于微胶囊生产的微流控芯片包括底片、微胶囊产生部分和油水两相分离部分，所述油水两相分离部分包括水相入口，水相入口通道、油相出口、油相出口通道、水相出口和分离通道，微胶囊产生部分和水相出口通过分离通道连接，水相入口通道和油相出口通道分别和分离通道连接，并且油相出口通道的宽度小于微胶囊的直径。

微胶囊产生部分的结构可以按照常规办法设计，如T型通道(T-Channel)，流聚焦型通道(Flow-Focus Channel)等。

为利于油的排除，油相出口数目不少于水相入口数目。

根据光刻工艺所采用光刻胶的不同和芯片材料的不同，油水两相分离部分通道高度可以为1um-100um，最佳的通道高度取决于微胶囊的大小，以不超过微胶囊的直径为准。

通道的宽度同样取决于光刻工艺和微胶囊的大小，并且油相出口通道宽度小于水相入口通道，可以实现更好的分离效果。以产生50um直径的微胶囊为例，油相出口通道宽度W＝15um，水相入口的通道宽度为W＝50um。

油水两相分离部分中，油相出口通道和水相入口通道的间距对稳定油水层有较大影响，通道间距太小，在增加微加工复杂度的同时，相邻通道会相互的影响；通道间距太大，由于油和水的表面张力系数不同，不容易形成稳定的层流。作为一种优选，油相出口通道间距为油相出口通道宽度的4倍。

水相入口通道和油相出口通道以90°角度和分离通道连接。

本发明微流控芯片材料可以是传统无机材料，如玻璃，石英，硅片等，也可以是聚合物材料，诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚碳酸酯(PC)等。

为了更好的理解本发明，利用本发明的微流控芯片生产微胶囊的过程和原理介绍如下：

按常规方法形成油包水微胶囊，进入油水两相分离阶段后，由于油和水粘度系数有很大不同，形成的界面容易有很大的扰动，在本发明中，通过优化芯片结构设计和调节水相和油相的流速，来达到稳定的油水两相稳定界面。通过水相入口对主通道中的油进行挤压，使得油逐渐从油的出口挤出，而微胶囊，由于体积大，不能够从油相出口流出，在流体力学的作用下，进入水相，达到微胶囊油水两相分离的目的。操作过程中，主要是调节水相和油相的流速，水相流速过大，会对油相产生较大的波动，水相流速过小，产生不了稳定的水油两相层流的界面。不利于微胶囊的油水两相分离。

本发明的微流控芯片，具有如下的优点：此装置加工过程简单，无需加工电极，对微胶囊进行修饰等复杂步骤；成本低，制作过程中不需要价格昂贵的镀膜设备或外加磁场和电场。利用本发明能够很容易地实现对微胶囊油水两相分离。据此，本发明可广泛应用于生命科学、药物科学和医学等领域。

附图说明：

图1：本发明微流控芯片中油水两相分离部分的结构示意图。

图2：微胶囊产生部分为流聚焦通道的微流控芯片整体结构示意图。

图3：本发明实施例1纯油和纯水两相分离界面试验。

图4：本发明实施例2微胶囊产生部分。

图5：本发明实施例2油水分离部分。

图6：本发明实施例2海藻酸钙微胶囊油水两相分离试验实验结果。

图7：本发明实施例3含酵母菌海藻酸钙微胶囊油水两相分离试验。

图8：本发明实施例4油水两相分离界面的软件模拟分析。

附图中：1——水相入口，2——水相入口通道，3——油相出口，4——油相出口通道，5——分离通道，6——水相出口通道，7——水相出口，8——油相一入口，9——分散相试剂一入口，10——油相二入口，11——分散相试剂二入口，12——芯片混合腔室。

具体实施方式：

实施例1：

纯油和纯水两相分离界面试验

1)芯片设计与制做，按图1所示的结构，制作出微流控芯片。

通过绘图软件设计出结构，用菲林打印输出模板，软光刻的方法制备在硅片上制备微流控芯片用的阳模模板，此模板设计中有四路水相入口(1)，四路油相出口(3)。将聚二甲基硅氧烷(PDMS)液态预聚物置入制备的微流控芯片的阳模模板上，待PDMS液态预聚物反应固化后，脱模并用打孔器打孔，得到微流芯片。如图2所示，将制备好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物与载玻片通过氧等离子体(Plasma)键合，制备出所需的密封好的微流控芯片。

2)以纯油和纯水界面为例，说明本发明结构设计可以实现稳定的油水界面。

如图3所示，水相入口通道(2)和油相出口通道(4)以90°角度和分离通道(5)连接；油相出口的数目为8路，水相入口的数目为4路，油相出口数目多于水相入口数目，这样的设计的目的是为了保证油相有足够的通道可以排出；在图3中，油相出口通道宽度为30um，水相入口通道的宽度为150um，油相出口通道宽度小于水相入口通道，这样设计的目的是保证水相入口有足够大的通量，而微胶囊油相不会被从油相出口通道被挤出；在图3中，出口通道间距为油相出口通道宽度的4倍，这样设计的目的为在保持油相被顺利排出的同时，实现稳定的油水界面。在试验中：在水相入口(1)通入纯水，流速为600ul/h，与分离通通道(5)中的纯油接触后，形成油水界面，油相由于受到水相的挤压，从油相出口(3)中排出，通过流体流速控制达到稳态的油水两相界面平衡。从实验图中可以看出，水相流量可以适当过量，部分纯水将从油相出口流出，达到彻底排出油相的目标。

实施例2

海藻酸钙微胶囊油水两相分离试验。

芯片设计与制作如同例1。

1)微流控芯片结构中微胶囊产生部分如图4所示：在油相一入口(8)通入油，在分散相试剂一入口(9)通入海藻酸钠，由于海藻酸钠是水溶性的试剂，在流聚焦口，油相的挤压下，会产生海藻酸钠微胶囊，如图4-(a)所示。同理通过油相二入口(10)通入油，在分散相试剂二入口(11)通入氯化钙，产生氯化钙微胶囊，如图4-(b)所示。海藻酸钠微胶囊和氯化钙微胶囊在芯片混合腔室(12)中混合，固化为凝胶状的海藻酸钙微胶囊分散在油相中，如4-(c)，4-(d)所示。控制油相入口(8)(10)油的速度，可以精确控制微胶囊的大小，产生速率和形状。

2)微流控芯片结构油水分离部分如图5所示：包被有海藻酸钙微胶囊的液滴进入油水分离通道(5)，在图5-(a)中，上端是水相入口，下端是油相出口，海藻酸钙在接近油水分离界面时，油水界面会发生一定的小的扰动，如图5-(b)所示，之后，含有海藻酸钙的液滴与油水界面融合，海藻酸钙从油相进入水相，如图5-(c)所示。在完成油水分离后，海藻酸钙微胶囊在水相继续向前流动，如图5-(d)所示，可以在微胶囊水相出口(7)对其进行收集。

3)海藻酸钙微胶囊油水两相分离试验结果如图6所示，在水相收集的微胶囊粒径分布均一，形状保持良好。

实施例3

含酵母菌海藻酸钙微胶囊油水两相分离试验。

芯片设计与制作如同例1。

1)酵母菌是单细胞真菌，可用于酿造生产。本试验中采用的酿酒酵母采用YPD(YeastExtract Peptone Dextrose Medium)培养基，配方为1％酵母膏(Yeast Extract)，2％蛋白胨(Peptone)，2％葡萄糖(Dextrose Glucose)。为保持酵母菌的活性，在实验前两天，对酵母进行复苏，经过四个传代周期后，含有酵母的培养液，与海藻酸钠进行混合，之后利用实施例2的步骤，进行酵母菌的海藻酸钙包被，如图7-(a)所示。

2)实验结果如图7-(b)所示：在固化的海藻酸钙凝胶微胶囊中，分布有酵母菌的，图中箭头所指的，是已经分芽的酵母菌，即一个酵母菌分裂增殖为两个酵母菌。海藻酸钙凝胶微胶囊并不是实心球体，其由许多孔隙的微结构支架构成，凝胶中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的液体，故可以利用海藻酸钙微胶囊进行细菌，真菌，细胞的三维培养，有潜在的生物学应用前景。

实施例4

油水两相分离界面的软件模拟分析。

1)为例证本发明基于微流控芯片的微胶囊油水两相分离方法及其芯片结构设计在理论上的可行性，使用多物理场耦合软件Comsol进行模拟，并依据模拟结果，优化改进芯片结构设计。

2)软件模拟设置：在Comsol软件中，画出芯片结构图，并进行参数的设定：模拟的油相出口通道(4)的通道数是八路，水相入口通道(2)的通道数是四路。设置分离通道(5)的油相流速为60ul/h，水相入口通道(2)的流速为600ul/h；设置油相出口和水相出口的压力均为零。画完结构图，设置好参数后，对结构图进行网格化并计算，得到的软件模拟实验结果如图8所示，在八路互相独立的油相出口通道(4)中，只有第一路被油所占据，其他七路油相出口被水所占据。与实施例1的实验结果相符合，证明了本结构设计的合理性。

Claims (9)

1.一种适用于微胶囊生产的微流控芯片，包括微胶囊产生部分和油水两相分离部分，其特征在于：所述油水两相分离部分包括水相入口(1)，水相入口通道(2)、油相出口(3)、油相出口通道(4)、水相出口(7)和分离通道(5)，微胶囊产生部分和水相出口(7)通过分离通道(5)连接，水相入口通道(2)和油相出口通道(4)分别和分离通道(5)连接，并且油相出口通道(4)的宽度小于微胶囊的直径。

2.如权利要求1所述的适用于微胶囊生产的微流控芯片，其特征在于：油相出口通道(4)宽度小于水相入口通道(2)。

3.如权利要求1或2所述的适用于微胶囊生产的微流控芯片，其特征在于：油相出口(3)数目不少于水相入口(1)数目。

4.如权利要求1或2所述的适用于微胶囊生产的微流控芯片，其特征在于：油相出口通道间距为油相出口通道(4)宽度的4倍。

5.如权利要求1或2所述的适用于微胶囊生产的微流控芯片，其特征在于：水相入口通道(2)和油相出口通道(4)以90°角度和分离通道(5)连接。

6. 如权利要求1或2所述的适用于微胶囊生产的微流控芯片，其特征在于：油水两相分离部分通道高度为1um-100um。

7.如权利要求1或2所述的适用于微胶囊生产的微流控芯片，其特征在于：微胶囊产生部分的结构为T型通道或流聚焦型通道。

8.如权利要求1或2所述的适用于微胶囊生产的微流控芯片，其特征在于：微流控芯片材料是玻璃、石英、硅片或聚合物材料。

9.如权利要求8所述的适用于微胶囊生产的微流控芯片，其特征在于：所述的聚合物材料为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。

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