CN106109440A - 一种微流控芯片及海藻酸盐磁性微球的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种微流控芯片及海藻酸盐磁性微球的制备方法，在同一时间使用注射泵往油相入口、海藻酸钠液相入口、磁珠液相入口、氯化钙液相入口分别注入硅油、海藻酸钠溶液、磁珠溶液、氯化钙溶液；在硅油的挤压剪切作用下，海藻酸钠溶液、磁珠溶液、氯化钙溶液在液滴生成结构处形成层流，并最终在液滴生成结构处形成包含海藻酸钠、磁珠、氯化钙三种物质且未充分混合的三相液滴；三相液滴进入蛇形通道充分混合，形成形貌均匀的磁性微球；最后磁性微球从微流控芯片中流出。能够解决传统微球制备方法中的制备条件要求苛刻、设备复杂等缺点，保证微球温和的内部环境以及磁珠的物理化学特性。

Description

一种微流控芯片及海藻酸盐磁性微球的制备方法

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，涉及一种微流控芯片及海藻酸盐磁性微球的制备方法。

背景技术

微流控芯片技术起源于20世纪90年代，由网络化的微通道控制流体，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。

微球技术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。海藻酸盐是来源于褐藻的天然多糖化合物，具有来源广泛，安全无毒等优点，海藻酸盐已被越来越多地应用于药物缓控释尤其是微/纳米缓控释载体材料，具有很高的应用前景。在医学领域微球能够储存药物等微细状态的物质，并在需要时进行释放。磁性高分子微球作为药物载体，被注射到动物体内，在外加磁场下，通过纳米粒子的导航，移向病变区，这就是磁性纳米粒子在药物中应用的基本原理。用磁性高分子微球作为药物载体可以提高药效，降低药物对正常细胞的伤害，成为磁控导弹，这也是当今的热门课题之一。

如今已经国内外已经存在多种针对海藻酸盐磁性微球的制备方法，如同轴静电喷射、共沉淀法、溶胶凝胶法、水热法等。其中同轴静电喷射需要近10KV的高压，设备复杂，对温度要求较高，低于0℃，高于50℃都将会使磁性微球制备失败；共沉淀法，合成简单，但形貌差，纯度低；溶胶凝胶法合成过程复杂，烧结性差，应用范围窄；水热法，温度要求高，周期长；微乳液法，合成磁性材料为核壳型混合型。

上述方法制备过程中常常加入有机溶剂或较大量的表面活性剂，在医疗领域、食品工业、水污染治理等领域，具有潜在的毒性危险。因此，需要一种更简单、安全、高效的制备海藻酸盐磁性微球的方法，而基于微流控芯片制备磁性微球可以有效避免这些潜在的危险。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种简单、安全、高效的微流控芯片，可以实现磁性微球快速、安全、高效制备，微流控芯片加工简单、以微流控芯片为核心的微球制备系统更为简单，能够解决传统微球制备方法中的制备条件要求苛刻的缺点，保证微球温和的内部环境以及磁珠的物理化学特性。

本发明还提供了采用上述微流控芯片制备海藻酸盐磁性微球的方法，使微球制备效率更高，微球粒径更小。

本发明所采用的技术方案是，一种微流控芯片，由盖板、通道板、底板组成；盖板包括：油相入口、海藻酸钠液相入口、磁珠液相入口、氯化钙液相入口、磁性微球出口；通道板包括：油相通道、海藻酸钠液相通道、磁珠液相通道、氯化钙液相通道、液滴生成结构、液滴流出通道、蛇形通道；油相通道的端头与油相入口连通；海藻酸钠液相通道的端头与海藻酸钠液相入口连通；磁珠液相通道的端头与磁珠液相入口连通；氯化钙液相通道的端头与氯化钙液相入口连通；液滴生成结构位于油相通道、海藻酸钠液相通道、磁珠液相通道、氯化钙液相通道的交汇处；液滴流出通道与液滴形成结构连接；蛇形通道位于微流控芯片的中间部分且与液滴流出通道相连；磁性微球出口位于芯片的尾端与蛇形通道的末端连通；其中，油相通道与海藻酸钠液相通道、海藻酸钠液相通道与磁珠液相通道、磁珠液相通道与氯化钙液相通道的夹角大小均为45°。

进一步的，所述油相通道与液滴流出通道在一条直线上。

进一步的，微流控芯片的材料为PMMA、PDMS、玻璃或硅片。

进一步的，所述磁珠液相通道在海藻酸钠液相通道与氯化钙液相通道之间。

进一步的，所述盖板上的油相入口、海藻酸钠液相入口、磁珠液相入口、氯化钙液相入口、磁性微球出口均为圆柱形通孔，且内径相同均为1mm。

进一步的，所述通道板上每个通道的截面的大小为100μm×100μm～500μm×500μm。

本发明所采用的另一种技术方案是，一种微流控芯片制备海藻酸盐磁性微球的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，

取海藻酸钠分析纯溶于去离子水中，在60℃的水浴环境下充分搅拌，配备质量百分比浓度为1％～10％的海藻酸钠溶液；配备与海藻酸钠溶液相同浓度的氯化钙溶液；

步骤2，

在同一时间使用注射泵往油相入口、海藻酸钠液相入口、磁珠液相入口、氯化钙液相入口分别注入硅油、海藻酸钠溶液、磁珠溶液、氯化钙溶液，形成油相、海藻酸钠液相、磁珠液相、氯化钙液相；在硅油的挤压剪切作用下，海藻酸钠溶液、磁珠溶液、氯化钙溶液在液滴生成结构处形成层流，并最终在液滴生成结构处形成包含海藻酸钠、磁珠、氯化钙三种物质且未充分混合的三相液滴；三相液滴进入液滴流出通道，然后进入蛇形通道，在蛇形通道处充分混合，形成坚硬的磁性微球；最后，磁性微球通过磁性微球出口从微流控芯片中流出。

进一步的，注入海藻酸钠溶液的流速为1ml/min，注入氯化钙溶液的流速为1ml/min，注入硅油的流速为2ml/min，注入磁珠溶液的流速为1ml/min。

本发明的有益效果是：制备过程中不需要加入有机溶剂或较大量的表面活性剂，因此能安全稳定且高效地生成大量的微球。本发明生成的磁性微球，通过磁场的控制定向运送药物并能准确地到达病变组织，减少对健康细胞的伤害，对于现代医学有巨大的贡献。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明微流控芯片的结构示意图。

图2是本发明制备海藻酸盐磁性微球生成情况示意图。

图3为两分叉通道不加磁珠的微胶囊效果图。

图中，1.盖板；11.油相入口；12.海藻酸钠液相入口；13.磁珠液相入口；14.氯化钙液相入口；15.磁性微球出口；2.通道板；21.油相通道；22.海藻酸钠液相通道；23.磁珠液相通道；24.氯化钙液相通道；25.液滴生成结构；26.液滴流出通道；27.蛇形通道；3.底板；41.油相；42.海藻酸钠液相；43.磁珠液相；44.氯化钙液相；45.磁性微球。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明微流控芯片的结构如图1所示，由盖板1、通道板2、底板3组成；

盖板包括：油相入口11、海藻酸钠液相入口12、磁珠液相入口13、氯化钙液相入口14、磁性微球出口15；

通道板2包括：油相通道21、海藻酸钠液相通道22、磁珠液相通道23、氯化钙液相通道24、液滴生成结构25、液滴流出通道26、蛇形通道27；油相通道21的端头与油相入口11连通；海藻酸钠液相通道22的端头与海藻酸钠液相入口12连通；磁珠液相通道23的端头与磁珠液相入口13连通；氯化钙液相通道24的端头与氯化钙液相入口14连通；液滴生成结构25位于油相通道21、海藻酸钠液相通道22、磁珠液相通道23、氯化钙液相通道24的交汇处；液滴流出通道26与液滴形成结构25连接；蛇形通道27位于微流控芯片的中间部分且与液滴流出通道26相连；磁性微球出口15位于芯片的尾端与蛇形通道27的末端连通。

油相通道21与海藻酸钠液相通道22、海藻酸钠液相通道22与磁珠液相通道23、磁珠液相通道23与氯化钙液相通道24的夹角大小相同且为45°。

油相通道21与液滴流出通道26在一条直线上。

通道板2与底板3可以合为一层。

微流控芯片的材料为PMMA、PDMS、玻璃或硅片。

微流控芯片的加工方法可以为：激光加工、CNC数控机床加工、模具注塑。

为使磁珠更易于包裹于微球中，磁珠液相通道23在海藻酸钠液相通道22与氯化钙液相通道24之间。

蛇形通道27为辅助混合通道。

盖板1上的油相入口11、海藻酸钠液相入口12、磁珠液相入口13、氯化钙液相入口14、磁性微球出口15均为圆柱形通孔，且内径相同均为1mm。

通道板上每个通道的端头结构与盖板上入口通孔还有后续的硅胶管的内径都相等。原因是在形成胶囊的过程，还存在着海藻酸钠溶液与氯化钙溶液未完全反应的时间，此时内径变大会导致胶囊与胶囊之间的距离减小，胶囊容易黏到一起；内径若变小，可能会导致孔径被堵塞。

通道板2上每个通道截面的大小为100μm×100μm～500μm×500μm。

本发明所设计的S型蛇形通道27主要是为了增加流道长度，促进微胶囊内部混合反应的效果，理论上胶囊内部的溶液完全反应需要的时间较长。本发明所设计的蛇形通道经过FITC荧光观察，在第三个半圆弧处已经微胶囊内部混合效果很好。

目前各文献报道中，常用的流道形状有矩形、S型、锯齿型、涡流型、圣诞树型等。每种方法各有优缺点。本文所采用的S型微流道本质上为增加流道长度，其中锯齿形的尖角会增大剪切，提高两种溶液的混合效果，圣诞树型将流体细分成若干更为细小的分支流道，以实现有效快速的混合，这些流道的变形针对连续流而言十分有效，本发明中已经将连续流转换为离散流，因此不需要流道的突兀变形，也不需要进行流体细分，只需要增加流道长度，使微胶囊芯材或壁材成型发生稳定的混合或反应，至出口处形成均匀稳定的微胶囊颗粒。因此S型流道是本发明最为合适的流道形状。

本发明微流控芯片结构设计上突出的优点为图海藻酸钠液相通道22、磁珠液相通道23、氯化钙液相通道24中所示的分叉结构及S型延长通道。各分叉流道处于同一平面内，降低了加工的难度，国内所报道的微液滴、微胶囊或微液滴的剪切法多为T型、十字型、Y型通道，通道入口在同一平面或三维平面内。少见本发明所述同一平面内多分叉结构。本发明所设计的分叉结构每个分支间的夹角为45度。经过FITC荧光显微镜观察，剪切效果好，微胶囊颗粒均匀，形貌良好。

采用微流控芯片制备海藻酸盐磁性微球的方法，如图2所示，具体按照以下步骤进行：

步骤1，

取海藻酸钠分析纯溶于去离子水中，在60℃的水浴环境下充分搅拌，配备质量百分比浓度为1％～10％的海藻酸钠溶液；配备与海藻酸钠溶液相同浓度的氯化钙溶液；

步骤2，

在同一时间使用注射泵往油相入口11、海藻酸钠液相入口12、磁珠液相入口13、氯化钙液相入口14分别注入硅油、海藻酸钠溶液、磁珠溶液、氯化钙溶液，形成油相41、海藻酸钠液相42、磁珠液相43、氯化钙液相44；注入海藻酸钠溶液的流速为1ml/min，氯化钙溶液的流速为1ml/min，硅油的流速为2ml/min，磁珠溶液的流速为1ml/min。(磁珠溶液流速快慢决定了微胶囊所包裹磁珠(实验采用四氧化三铁)的百分比浓度，即决定其磁珠微胶囊的磁场强度)。在硅油的挤压剪切作用下，海藻酸钠溶液、磁珠溶液、氯化钙溶液在液滴生成结构25处形成层流。并最终在液滴生成结构25处形成包含海藻酸钠、磁珠、氯化钙三种物质且未充分混合的三相液滴；三相液滴进入液滴流出通道26，然后进入蛇形通道27，在蛇形通道27处充分混合，形成坚硬的磁性微球45；最后，磁性微球45通过磁性微球出口15从微流控芯片中流出。

形成层流的原因是：在宏观体系中，对于高雷诺数的低黏度流体，通常采用产生湍流的方法，利用对流效应形成微区分散结构进行混合，而对于高黏度流体或微结构中，液流雷诺数很小使得液流很难产生湍动，为层流。

本发明的优点是：将微流控技术应用于磁珠微球的生成，在磁珠微球生成的过程中，不需要高温和剧烈的化学反应，能够保证磁珠的物理化学特性不会发生改变。难点在于各分支通道的流速控制，即剪切力大小的控制，产生微胶囊的关键参数为流速、管道尺寸，各参数要相匹配。图3为2分叉通道的不加磁珠的微胶囊效果图。从图3中可以看出，非十字型通道的叉形流道更容易获得形貌良好的微胶囊，颗粒更加均匀。而常规采用的十字型通道由于各分支通道的流速波动，常常会造成各分支通道溶液混比不均匀，微胶囊颗粒不均匀，产率低。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种微流控芯片，其特征在于，由盖板(1)、通道板(2)、底板(3)组成；

所述盖板包括：油相入口(11)、海藻酸钠液相入口(12)、磁珠液相入口(13)、氯化钙液相入口(14)、磁性微球出口(15)；

所述通道板(2)包括：油相通道(21)、海藻酸钠液相通道(22)、磁珠液相通道(23)、氯化钙液相通道(24)、液滴生成结构(25)、液滴流出通道(26)、蛇形通道(27)；所述油相通道(21)的端头与油相入口(11)连通；所述海藻酸钠液相通道(22)的端头与海藻酸钠液相入口(12)连通；所述磁珠液相通道(23)的端头与磁珠液相入口(13)连通；所述氯化钙液相通道(24)的端头与氯化钙液相入口(14)连通；液滴生成结构(25)位于油相通道(21)、海藻酸钠液相通道(22)、磁珠液相通道(23)、氯化钙液相通道(24)的交汇处；液滴流出通道(26)与液滴形成结构(25)连接；蛇形通道(27)位于微流控芯片的中间部分且与液滴流出通道(26)相连；磁性微球出口(15)位于芯片的尾端与蛇形通道(27)的末端连通；

其中，所述油相通道(21)与海藻酸钠液相通道(22)、海藻酸钠液相通道(22)与磁珠液相通道(23)、磁珠液相通道(23)与氯化钙液相通道(24)的夹角大小均为45°。

2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述油相通道(21)与液滴流出通道(26)在一条直线上。

3.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，微流控芯片的材料为PMMA、PDMS、玻璃或硅片。

4.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述磁珠液相通道(23)在海藻酸钠液相通道(22)与氯化钙液相通道(24)之间。

5.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述盖板(1)上的油相入口(11)、海藻酸钠液相入口(12)、磁珠液相入口(13)、氯化钙液相入口(14)、磁性微球出口(15)均为圆柱形通孔，且内径相同均为1mm。

6.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述通道板(2)上每个通道的截面的大小为100μm×100μm～500μm×500μm。

7.一种采用权利要求1至6任何一项所述的微流控芯片制备海藻酸盐磁性微球的方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤1，

取海藻酸钠分析纯溶于去离子水中，在60℃的水浴环境下充分搅拌，配备质量百分比浓度为1％～10％的海藻酸钠溶液；配备与海藻酸钠溶液相同浓度的氯化钙溶液；

步骤2，

在同一时间使用注射泵往油相入口(11)、海藻酸钠液相入口(12)、磁珠液相入口(13)、氯化钙液相入口(14)分别注入硅油、海藻酸钠溶液、磁珠溶液、氯化钙溶液，形成油相(41)、海藻酸钠液相(42)、磁珠液相(43)、氯化钙液相(44)；在硅油的挤压剪切作用下，海藻酸钠溶液、磁珠溶液、氯化钙溶液在液滴生成结构(25)处形成层流，并最终在液滴生成结构(25)处形成包含海藻酸钠、磁珠、氯化钙三种物质且未充分混合的三相液滴；三相液滴进入液滴流出通道(26)，然后进入蛇形通道(27)，在蛇形通道(27)处充分混合，形成坚硬的磁性微球(45)；最后，磁性微球(45)通过磁性微球出口(15)从微流控芯片中流出。

8.根据权利要求7所述的微流控芯片制备海藻酸盐磁性微球的方法，其特征在于，注入海藻酸钠溶液的流速为1ml/min，注入氯化钙溶液的流速为1ml/min，注入硅油的流速为2ml/min，注入磁珠溶液的流速为1ml/min。