CN102284262A

CN102284262A - 一种微流控微球制备装置

Info

Publication number: CN102284262A
Application number: CN2011101586596A
Authority: CN
Inventors: 张程宾; 陈永平
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明公开了一种微流控微球制备装置，由微通道芯片、微流体驱动装置和微球收集器组成，微通道芯片集成了分散相微通道和连续相微通道，分散相微通道为分形树状结构微通道，该分形树状结构微通道包括主通道以及至少一级分支通道，主通道的入口连接分散相流体注射器，在最末级分支通道上设置连接通道，该连接通道的出口位于所述的连续相微通道内。分散相主通道通过分叉作用产生越来越多的分支，这种结构类似于优化了的流体分配器，能在有效的降低微通道内的流体流动压降的同时均匀的分配每一级通道中液体的流量和流速，保证制得的微球尺寸均一性高；并且树状通道具有多个出口，大大的提高了微球制备装置的微球生产率。

Description

一种微流控微球制备装置

技术领域

本发明涉及一种基于微流控技术的微球制备装置，具体涉及的是一种为提高微球制备效率而设计的具有树状结构特征微通道微球制备装置。

背景技术

微球是指药物分散或被吸附在高分子、聚合物基质中而形成的微粒分散体系。目前，常用的聚合物微球制备方法有：乳液聚合法、分散聚合法、种子聚合法、悬浮聚合法、微悬浮聚合法、喷雾干燥法、模板法等。普通装置制备微球通常存在试剂消耗大、工艺复杂、工艺耗时长、制得的微球球形度不高、微球大小不均一等诸多问题。为此，迫切需要研制聚合物微球的新型制备装置，使得既能有效提高微球生产制备效率，又能降低试剂消耗、优化制备过程。

微流控技术是聚合物微球制备的一种优选途径。微流控装置中一个重要组成部分是微通道，微通道的结构和形状对微流控装置性能有着重要影响。现有的微流控芯片大多采用的是简单的协流式微流控装置，只有一个制备通道，因而制备过程的生产率不高，制备过程耗时较长，虽然在实验室中取得了卓著的成效，难以应用到大规模工业生产中。提高生产率的方法一般是将多个制备通道并联，但是在微尺度下，流动时流体分配往往很难做到均匀，因而可能会导致各个通道微球制备的形状、大小不一，影响到产品的单分散性。为此，本发明受仿生思想启迪，将人体中血管、气管和淋巴管等树状结构应用于微通道设计，进而达到充分利用微流控芯片空间、生产效率高、微球球形度高和大小均一的目的。

发明内容

要解决的技术问题：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有的协流式微流控装置生产率不高的缺点，而提供了一种新型的具有分形树状特征微通道的微流控芯片结构，该结构微球制备装置可在保证微球球形度和尺寸均一性的条件下大幅提高微球制备效率。

本发明的目的是设计一种基于微流控技术的微球制备装置，具有集成化和小型化的优点，该装置的分散相通道为分形树状结构，实现了完全均匀的流体分配，使得微球的制备过程得到了优化，提高了制备效率，实现高可控性的规模化、连续化生产。

技术方案：为解决当前的微球制备装置设计上存在的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种微流控微球制备装置，由微通道芯片、微流体驱动装置和微球收集器组成，所述的微流体驱动装置包括分散相流体注射器和连续相流体注射器，所述的微通道芯片集成了分散相微通道和连续相微通道，在所述的分散相微通道的入口端连接所述的分散相流体注射器，在所述的连续相微通道的入口端连接所述的连续相流体注射器，在所述的微通道芯片的出口处连接所述的微球收集器，其特征在于：所述的分散相微通道为分形树状结构微通道，该分形树状结构微通道包括主通道以及至少一级分支通道，所述的主通道的入口连接所述的分散相流体注射器，在所述的最末级分支通道上设置连接通道，该连接通道的出口位于所述的连续相微通道内。

所述的分散相微通道具有分形树状结构特征，由主通道和分支通道组成，主通道为分形树状结构的第0级（即分散相液体入口），由主通道分叉作用生成第1级分支通道，上下级微通道之间的交叉角α为180度，第1级的分支通道继而通过分叉作用生成第2级分支通道，周而复循，生成第3、4、5….n级分支通道。这样，生成的树状结构的最后一级将具有2ⁿ个微通道。这意味着贯通上下层的连接通道有2ⁿ个。参照人体呼吸系统的分形结构设计分形树状微通道，所述的上下级分支通道的水力直径之比为N ^-1/Δ(N为每级的分支通道数目，N=2，直径维数Δ取大于7/3且小于等于3的实数)，所述的上下级分支通道的长度之比为N ^-1/d(长度维数d取大于1且小于2的实数)。需要指出的是，每一级的分支通道都是具有相同形状和结构尺寸的，进而有效保证了分散相流体的完全均匀分配功能，从而达到制备的微球具有球形度高和大小均一特征。另外，分散相微通道采用分形结构布置，每个微通道芯片具有2ⁿ个连接通道，大大提高了微通道芯片的空间利用，使得每次能同时生成2ⁿ个微球，使得微球的生产效率得到了大幅度提高。

所述的分散相微通道和连续相微通道在空间上呈上下平行层状排列，分散相微通道位于上方，呈分形树状结构布置；连续相微通道位于下方，呈扁平状布置。分散相微通道的最末级通道通过垂直于分散相微通道平面的连通通道与连续相微通道相贯通。

使用时，将已配置好的分散相和连续相液体分别盛入所述注射器中，使用推进器或者注射泵驱动注射器内液体流动。通过调解与配比推进器或注射泵的流速，使分散相液体在所述连接通道出口处恰能被连续相液体剪切成为单分散的微球，并随着连续相液体从所述连续相通道出口流出到所述微球收集器中，最后通过固化干燥即可得到合格的微球。

本发明的技术方案在于：受仿生思想启迪，将人体中血管、气管和淋巴管等树状结构应用于微通道设计，设计了具有分形树状结构的微流控微球制备装置。分散相主通道通过分叉作用产生越来越多的分支，这种结构类似于优化了的流体分配器，能在有效的降低微通道内的流体流动压降的同时均匀的分配每一级通道中液体的流量和流速，保证制得的微球尺寸均一性高；并且树状通道具有多个出口，大大的提高了微球制备装置的微球生产率。因此，分形树状结构的微流控微球制备装置的设计布置达到了节能和高效生产的目的。

所述的分散相通道(由主通道和分支通道以及连接通道组成)的各个通道以平面方式铺展开来，第0级通道(主通道)为分形树状结构的第0级，在第0级通道的末端通过分叉作用生成两个第1级分支通道，上下级微通道之间的交叉角α为180度，在两个第1级的分支通道的末端继而通过分叉作用生成四个第2级分支通道，上下级微通道之间的交叉角α也为180度，周而复循，生成第3、4、5….n级分支通道。这样，生成的树状结构的最后一级将具有2ⁿ个微通道。最后，在最末级通道末端与连接通道连接汇入连续相通道中。各级通道和出口通道的截面形状皆可为圆形、矩形、梯形、螺纹形等任意形状。

在对人体呼吸系统分形结构特征的研究中发现，分支结构中第n级通道水力直径与下一级水力直径之间的关系为D _n/D _n-1 =N ^-Δ (D为水力直径，N为每级的分支通道数目，N=2，直径维数Δ取大于7/3且小于等于3的实数)。大量实验证明，当Δ=1/3时，流体层流流动阻力取到最小值，当Δ=7/3时，流体湍流流动阻力取到最小值。要使得树状结构以平面方式布置且通道之间不出现交错，长度维数d应取大于1且小于2的实数。

需要指出的是，尽管在树状通道分叉流动可能会带来了一定的压降损耗，但是，应注意到分形通道具有流体流量的分散作用，它实质上类似一流动的优化分散器，该结构可使各单元流体分散流动，流动阻力较之直径等于分散相液体出口直径的集中流动小。分散相通道不同级的通道水力直径和长度这样的分形分布特征，能实现管内流动泵功消耗的最优化。并且分形树状通道具有多个流体出口，且各个流体出口的流量和速度得到了均一的分配，大大的提高了微流控芯片的空间利用率和微球的制备效率。

所述的微流控芯片根据工作条件、流体性质等不同，大小可以控制在几个平方厘米作用，材料可选用硅片、玻璃、硅橡胶、塑料等材料作为基片，通过蚀刻、光刻或者印模等方法加工微通道。

本发明提供的分形树状微流控微球制备装置，所述分散相通道和连续相通道内流体可根据需要使用任意流体工质，连续相的流动可以与分散相主通道的流动布置成平行流，也可布置成交叉流，不管连续相通道内流动方向如何，所述微球制备装置的生产过程不受影响。

本发明提供一种新型的高效、集成的分形树状结构微流控微球制备装置。在所述装置使用中，分散相流体从分散相入口进入分散相通道，迅速的分流到各分散相通道分支，在这个层面内达到均匀的质量和速度分配，然后从分形树状结构末梢流入到分散相出口通道，继而进入连续相流体中，被连续相流体通过粘性力的作用剪切成单分散的微球。与传统的平行排列的通道相比，分形树状结构的通道使有效空间利用率大大提高，另外由于其流动阻力小，减小了泵功的消耗，这对于实现高效制备微球是有益的。

有益效果：

本发明新型的分形树状微流控微球制备装置，分形树状微通道的布置方式充分利用了微流控芯片的空间，并且各个分散相微通道流体出口的流量和速度完全均一化分配，提高了微流控芯片的空间利用率和微球的制备效率，还有利于减少泵功的消耗。以上这些因素，不仅使得整个微流控微球制备装置设计紧凑合理，还能在降低一定的能耗条件下提高微球的生产率，达到了高效制备和节能的目的。

附图说明：

图1 分形树状微流控微球制备装置示意图。

图2 微流控芯片俯视图。

图3 微流控芯片结构示意图一。

图4 微流控芯片结构示意图二。

图5 分形树状通道结构示意图。

图中1．分散相注射器；2．连续相注射器；3．分形树状微流控芯片；4．收集皿；5．连通管道；6．主通道(第0级通道)；7．分支通道；8．连接通道；9．树状结构流动通道网络，即分散相通道；10．扁平界面通道，即连续相通道；11．第1级通道；12．第2级通道；13．第3级通道；14．第4级通道；15．第5级通道；16．微球。

具体实施方式：

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了本发明示意图，一种具有分形树状特征微流控微球制备装置，具体结构包括：分散相注射器1、连续相注射器2、微流控芯片(集成了具有分形树状结构的分散相通道和扁平形的连续相通道)3、微球收集器4、连接管5等主要组成部分。

图2给出了所述微流控芯片俯视图，分散相通道具有分形树状结构，以平面的方式铺展开来，分散相液体通过连接管道被注射泵从注射器中驱动流入主通道6(分形树状结构第0级通道)，在分支点处被均匀的分配到下一级分支通道7(分形树状结构的第1级通道)中去。分散相液体经过各级分支点最终被均匀的分配到2ⁿ(n为分形树状通道级数)个分支通道中，并在第n级通道处末端通过连接通道8流入连续相液体中被剪切成为微球。

图3与图4给出了不同角度下的微流控芯片结构示意图，所述分形树状微流控芯片，由基片加工而成，基片材料可以根据需要选择硅片、玻璃、硅橡胶、塑料等等。分散相通道和连续相通道各一层，其中分形树状结构流动通道网络9，即分散相通道，设置在基片上表面的内侧，连续相通道设置在基本下表面内侧，连续相通道截面为矩形，形状为扁平状。分形树状结构的分散相通道最末级通道连接着的连接通道的出口悬空地分布在连续相通道中。

上层分形树状微通道的结构与各级分支以及连接通道的结构与各级分支如图5所示，所述的树状结构微通道以平面方式铺展开来，微通道网络至少含有2级，每级通道连接着分叉数N=2的下一级通道，上下级流道之间的交叉角α为180°，为了得到最优的流动效果，分支结构中各级水力直径与长度按照一定的比例关系生成。根据分形理论，设计要求分支结构中各级水力直径与长度满足一定的关系，上下级分支通道的直径之比为N ^-1/Δ，N为每级的分支通道数目，N=2，直径维数Δ取大于7/3且小于等于3的实数；上下级分支流道的长度之比为N ^-1/d，长度维数d取大于1且小于等于2的实数。分形树状通道的通道级数为大于等于2小于等于10的整数。

分散相液体在注射泵的驱动下从所述分散相注射器1流入所述树状结构通道的主通道(第0级通道)6中，依次通过第1、2……n级通道，最终被完全均匀的分配到2ⁿ个第n级通道15中，继而进入连接通道8，在连接通道的出口处被连续相液体剪切成为微球。

连续相液体在注射泵的驱动下从所述连续相注射器2流入所述连续相通道10中，在所述连接通道8出口附近通过剪切力的作用将分散相液体剪切成为单分散的微球，并夹带着微球从连续相通道10出口经连接管5流入微球收集器4中。

Claims

1.一种微流控微球制备装置，由微通道芯片、微流体驱动装置和微球收集器组成，所述的微流体驱动装置包括分散相流体注射器和连续相流体注射器，所述的微通道芯片集成了分散相微通道和连续相微通道，在所述的分散相微通道的入口端连接所述的分散相流体注射器，在所述的连续相微通道的入口端连接所述的连续相流体注射器，在所述的微通道芯片的出口处连接所述的微球收集器，其特征在于：所述的分散相微通道为分形树状结构微通道，该分形树状结构微通道包括主通道以及至少一级分支通道，所述的主通道的入口连接所述的分散相流体注射器，在所述的最末级分支通道上设置连接通道，该连接通道的出口位于所述的连续相微通道内。

2.根据权利要求1所述的微流控微球制备装置，其特征在于：所述的分散相微通道和连续相微通道呈上下两层平行布置，所述的连续相微通道为扁平型矩形微通道。

3.根据权利要求1所述的微流控微球制备装置，其特征在于：所述的分散相微通道为两层，所述的连续相微通道为一层且居于两层分散相微通道中间。

4.根据权利要求1所述的微流控微球制备装置，其特征在于：所述的分形树状结构微通道以平面方式铺展开来，每级通道连接着分叉数N=2的下一级通道，上下级微通道之间的交叉角α为180度。

5.根据权利要求4所述的微流控微球制备装置，其特征在于：所述的分形树状结构微流道网络的上下级分支通道的水力直径之比为N ^-1/Δ，其中直径维数Δ取大于7/3且小于等于3的实数，所述的上下级分支通道的长度之比为N ^-1/d，其中长度维数d取大于1且小于2的实数。

6.根据权利要求4所述的微流控微球制备装置，其特征在于：所述的分形树状通道的通道级数为大于等于2小于等于10的整数。