CN102530830A - 集成微阀液滴操控芯片及其合成和组装聚合物微球的方法 - Google Patents

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秦建华
张清泉
林炳承
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Abstract

本发明提供一种基于集成微阀液滴操控芯片的聚合物微球合成和组装方法，通过程序控制微阀的开启和关闭，产生一系列聚合物单体的微液滴，在紫外光照条件下，微液滴固化形成微球，并在下游通道内实现微球的在线组装、键合和释放；本发明的优点在于通过单次循环镍微阀开启次数来控制组装颗粒的长度；通过控制均一微球和通道的相对尺寸大小来控制微球的键合角度；通过控制单个微球的大小和组成来控制组装颗粒的内部大小和组成序列。

Description

集成微阀液滴操控芯片及其合成和组装聚合物微球的方法
技术领域
本发明涉及各向异性聚合物微颗粒合成技术，特别提供了一种集成微阀液滴操控芯片及其合成和组装聚合物微球的方法。
背景技术
各向异性微颗粒被广泛应用于自组装、药物载体设计和生化编码分析。颗粒的各向异性还可以用来探测复杂流体的流变学性质，在食品材料、化妆品、制药等领域具有潜在的应用价值。传统的种子聚合法基于相分离的热力学过程，采用控制反应动力学进程来合成核-壳型或者非球形的颗粒。但是得到的颗粒单分散性差且过程费时。为了得到单分散性好且具有复杂结构的颗粒，液滴微流控芯片材料合成技术和基于微流控芯片的胶体组装技术相继被发展起来。
液滴微流控芯片的基本点是利用互不混溶的两相流，在流体剪切力和界面张力的作用下，其中的一相分散在另一相中，形成一系列单分散的液滴，每个液滴包含特定的化学反应或生物反应，形成平行的微反应器。采用聚合物单体溶液作为分散相，可以形成高度均一的液滴，在外界刺激下，液滴内发生聚合反应，形成单分散性高的颗粒。各种不同形状和组成材料的颗粒合成先后在液滴微流控芯片上实现，但是液滴微流控芯片上颗粒形貌的控制是基于微通道对液滴的限制作用，因此合成的颗粒形貌仅限于球形或者球形的拉伸、压缩变种，其他形状或者更复杂的结构难以实现。
基于微流控芯片的胶体组装技术主要是将胶体粒子分散在溶液中形成胶体溶液，胶体溶液在微通道的流动过程中，在外加场的作用下或者通道内微结构的作用下，实现胶体粒子的组装，并采用特定的方式（包括热键合、紫外键合、生物分子键合等）实现胶体粒子之间的键合。由于胶体粒子是离线合成的，在引入微流控芯片之前已经存在，因此单个胶体粒子的大小和组成不能在线改变，极大的限制了该方法对颗粒形貌的调节，尤其是颗粒内部的大小和组成序列。
建立一种能够控制单个粒子的大小和组成，并能将其组装形成具有复杂内部结构的微颗粒的方法成为迫切需要。
发明内容                                       
本发明的目的在于提供一种集成微阀液滴操控芯片及其合成和组装聚合物微球的方法，从而能够控制单个粒子的大小和组成，并能将其组装形成具有复杂内部结构的微颗粒。
本发明提供一种集成微阀的液滴操控芯片，其特征在于：该芯片由上、中、下三层组成；其中，上层是液体通路芯片，由储液池、水相通道和油相通道组成；中层是薄膜层；下层为气体控制通路芯片；且所述集成微阀由液路，薄膜和气路控制组成；所述的芯片上层的材质、中层薄膜和下层的材质均为高聚物，优选PDMS。
本发明提供的使用集成微阀的液滴操控芯片合成和组装聚合物微球的方法，其特征在于：具体的步骤如下，
——在储液池1中加入矿物油，其中含有4%span80，储液池2和3中加入单体溶液，在储液池4上面持续施加负压，其中，单体溶液为紫外可引发聚合反应的单体溶液，优选PEGDA、 NOA61或丙烯酰胺，负压由注射泵、真空瓶、真空泵中的一种或多种提供；
——通过程序控制阀Ⅰ或者阀Ⅱ的开启和关闭，形成大小和组成可控的单体液滴，在紫外UV1光照条件下，单体液滴聚合形成聚合物微球；
——在阀Ⅲ的拦截作用下，微球在通道内组装并在紫外UV2的作用下发生键合，形成具有特定结构的微颗粒，阀门Ⅲ开启，释放微颗粒，完成一个组装循环，其中，微球键合方式为紫外键合、热键合、抗体-抗原键合、异种电荷键合中的一种或多种。
本发明提供的基于集成微阀的液滴操控芯片合成和组装聚合物微球的方法，通过改变单次组装循环内阀门开启的次数来控制参与组装的微球的数目，形成具有不同长度的组装微颗粒。
本发明提供的基于集成微阀的液滴操控芯片合成和组装聚合物微球的方法，通过改变阀门的开启时间来控制微球的大小，形成不同键合角度的微颗粒。
本发明提供的基于集成微阀的液滴操控芯片合成和组装聚合物微球的方法，通过阀门开启时间长短顺序变化来控制组装微球的大小顺序，形成具有内部尺寸序列的组装微颗粒。
本发明提供的集成微阀的液滴操控芯片合成和组装聚合物微球的方法，通过在储液池2和储液池3中加入组分不同的单体溶液，程序调节阀Ⅰ和阀Ⅱ的开启顺序变化来控制参与组装的微球的组分顺序，形成具有不同组成序列的微颗粒。
本发明采用集成微阀液滴操控芯片，在储液池4上施加的负压作用下，通过程序控制微阀的开启和关闭，将储液池2和储液池3中的单体溶液分散成不同大小和组成的微液滴，并在紫外光照下，实现微球的在线合成和组装。
本发明提供的集成微阀液滴操控芯片及其合成和组装聚合物微球的方法的优点如下：
1、采用集成微阀的液滴操控芯片实现了微球的合成及可控组装；
2、在芯片上实现了微球的在线合成和组装，增强了颗粒形貌控制的灵活性；
3、通过程序控制微阀的开启次数，实现了对微颗粒长度的灵活控制；
4、通过控制微阀的开启时间，实现了不同键合角度的微颗粒组装；
5、微颗粒内部的大小和组成序列可以预先设计，且能严格按照设计实现；
6、通过增加水相通道和相应微阀的数目，可以实现3种及以上的不同组分的微球组装。
附图说明
图1为PDMS芯片的三层结构示意图，其中，A为液路芯片，B为PDMS薄膜，C为气路芯片；
图2为集成微阀的液滴操控芯片示意图，其中，a为水相通道，b为油相通道，1为油相储液池，2、3为单体溶液储液池，4为施加负压的储液池，I为阀I，II为阀II，III为阀III；
图3为集成微阀的液滴操控芯片实物照片； 
图4为微阀控制液滴形成的实物照片；
图5为相同阀门开启时间下，注射泵流速大小对液滴大小的影响；
图6为相同流速下，阀门开启时间对液滴大小的影响；
图7为微球合成和组装的原理示意图；
图8为微球合成和组装过程的实物照片；
图9为不同数目的微球组装形成的不同长度的微颗粒荧光照片；
图10为微球键合角度的理论模型；
图11为微球键合角度的理论计算结果和测量结果的比较，以及不同键合角度微颗粒的荧光照片；
图12为两个大球和两个小球可能存在的组装序列模型；
图13为两个大球和两个小球组装形成的具有内部大小序列的微颗粒的荧光照片；
图14为四个不同大小的微球组装的可能序列之一的示例，以及对应的微颗粒的荧光照片；
图15为两个组分为E的微球和两个组分为F的微球组装，可能的组分组装序列，以及对应的具有组成序列的微颗粒的荧光照片。
具体实施方式
实施例1
以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1  
试验微球组装的数目控制和键合角度控制，采用图2所示芯片，其结构为该芯片由上、中、下三层组成；其中，上层是液体通路芯片，由储液池、水相通道和油相通道组成；中层是薄膜层；下层为气体控制通路芯片；且所述集成微阀由液路，薄膜和气路控制组成，且芯片上层的材质、中层薄膜和下层的材质均为PDMS；然后在储液池1中加入20ul矿物油（4%span80），储液池2和储液池3中分别加入10ul NOA61（含105 M罗丹明B），储液池4连接注射泵，以恒定流速（0.6ul/min）抽取。初始状态下，阀Ⅰ和阀Ⅱ关闭。当阀Ⅰ或者阀Ⅱ开启450ms时，NOA61 沿水相通道流到交叉口，在矿物油的剪切力和表面张力的作用下，形成油包水的液滴（NOA61/矿物油），通过阀门的不断开启和关闭形成一串液滴（见图4，图7-I和图8-1）。液滴流经下游紫外（UV1）照射区域时，NOA61在紫外作用下发生聚合反应，液滴固化形成微球。微球被矿物油携带到达阀Ⅲ的位置。此时阀Ⅲ关闭，微球在此处通道内呈线性组装，在二次紫外 (UV2) 照射下，微球之间相互键合在一起，形成微颗粒 (见图7-II和图8-2)。此时，阀Ⅲ开启，释放微颗粒 (见图7-III和图8-3)，完成一个组装循环。在液滴形成过程中，程序控制阀Ⅰ或阀Ⅱ连续开启3次、4次和5次，形成了分别由3个微球、4个微球和5个微球组装的微颗粒（见图9）。 以5个微球的组装为例，阀Ⅰ或者阀Ⅱ的开启时间由450ms 依次改变为400ms、300ms和200ms，微球的尺寸小于通道尺寸，在通道内呈非线性组装，形成具有不同键合角度的微颗粒（见图11）。键合角度的理论模型见图10。键合角度的理论计算值稍微大于测量值（见图11），这是由于微球在组装过程中稍微有点变形。
实施例2  
试验具有特定内部大小序列的微颗粒的组装，以2个大球（A）和2个小球（B）的组装为例，其理论上的大小序列有3种：A-B-A-B、A-A-B-B和A-B-B-A（见图12）。采用实施例1中所述的方法，按照图12中所示的线路1、线路2和线路3，形成对应的液滴序列（见图13中间行），并在紫外作用下，形成与模型完全吻合的具有特定大小序列的微颗粒（见图13）。如果以4个不同大小的微球（A、B、C、D）组装，理论上大约有44/2种不同的大小序列，其中的一种大小序列如图14所示。
实施例3  
试验具有特定内部组成序列的微颗粒组装，在储液池2中加入10 ul NOA61（含105 M罗丹明B），储液池3中加入10 ul NOA61（含105 M罗丹明123）（见图15-1），采用实施例1所述的方法，形成具有2种不同组分的微球（E和F）。以2个E球和2个F球的组装为例，其理论上的组成序列有3种：E-E-F-F、E-F-E-F和E-F-F-E（见图15-2）。采用实施例1中所述的方法，按照图15-2中所示的线路1、线路2和线路3的序列，产生组成对应的液滴序列，在紫外作用下，形成与理论预测完全吻合的具有特定组成序列的微颗粒（见图15-3）。

Claims (8)

1.一种集成微阀的液滴操控芯片，其特征在于：该芯片由上、中、下三层组成；其中，上层是液体通路芯片，由储液池、水相通道和油相通道组成；中层是薄膜层；下层为气体控制通路芯片；且所述集成微阀由液路，薄膜和气路控制组成。
2.按照权利要求1所述的，其特征在于：所述芯片上层的材质、中层薄膜和下层的材质均为高聚物。
3.按照权利要求1所述的，其特征在于：所述芯片上层的材质、中层薄膜和下层的材质均为PDMS。
4.一种基于权利要求1所述的集成微阀的液滴操控芯片合成和组装聚合物微球的方法，其特征在于：具体的步骤如下，
——在储液池1中加入矿物油，其中含有4%span80，储液池2和3中加入单体溶液，在储液池4上面持续施加负压；
——通过程序控制阀Ⅰ或者阀Ⅱ的开启和关闭，形成大小和组成可控的单体液滴，在紫外UV1光照条件下，单体液滴聚合形成聚合物微球；
——在阀Ⅲ的拦截作用下，微球在通道内组装并在紫外UV2的作用下发生键合，形成具有特定结构的微颗粒，阀门Ⅲ开启，释放微颗粒，完成一个组装循环。
5.按照权利要求4所述合成和组装聚合物微球的方法，其特征在于：所述储液池4施加的负压由注射泵、真空瓶、真空泵中的一种或多种提供。
6.按照权利要求4所述合成和组装聚合物微球的方法，其特征在于：所述单体溶液为紫外可引发聚合反应的单体溶液。
7.按照权利要求4所述合成和组装聚合物微球的方法，其特征在于：所述单体溶液为PEGDA、 NOA61或丙烯酰胺。
8.按照权利要求4所述合成和组装聚合物微球的方法，其特征在于：所述微球键合方式为紫外键合、热键合、抗体-抗原键合、异种电荷键合中的一种或多种。
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