CN106215990A - 一种规模化制备液滴的微流控模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种规模化制备液滴的微流控模块，采用多级模块化放大策略，模块设计包括并联、堆叠两个放大过程，多个模块集成运行实现工业级产量需求；N为每个芯片组并联通道个数，M为每个模块堆叠芯片组个数，则整个模块包括N×M个通道数，若Q为集成模块数，则总产量P＝η×(N×M×Q)，与N，M，Q分别成正相关，其中η为单通道产量。实际应用中，可根据对空间利用、产量需求、所得产品特征参数等来合理权衡三个参数，达到最优的一种效果。应用本发明所涉及的规模化制备液滴的微流控模块，或者基于此模块的微流控系统，实现规模化的液滴或乳液产量，作为模版可以合成具有功能性的颗粒材料，广泛应用于生物医药，化学化工，材料制备等领域。

Description

一种规模化制备液滴的微流控模块

技术领域

本发明专利涉及一种规模化制备液滴的微流控模块，制备出的液滴可作为模板规模化制备乳液产品，或者颗粒产品，属于微流控技术产业化应用领域。

背景技术

近年来在生物医药、化学化工领域发展起来的微流控技术在制备单重液滴和复杂液滴方面优势显著，可实现每重液滴数量和尺寸的精准控制。以制备的液滴作为模版，可合成颗粒产品或乳液产品。基于这种微流控方法，相关研究者们已经制备出不同形状、结构多样和组分复杂的高度单分散颗粒材料产品并实现精准调控，取得了一系列瞩目的成果。然而，由于微流控技术是在微通道内操纵流体，因此液滴产量很低，制约着该技术成熟应用于工业化。

微通道重复是实现高通量化的重要途径。基于这种思路，国内外研究者进行了尝试和探索，取得了一些进展。到目前为止，这篇文章中(Lab on a chip.2014,14,3011)微流控装置液滴产量最高，高达1.5L/h。英国Dolomite公司也开发了Telos系统大规模制备乳液。然而，这个通量仍难以满足工业实际的需求量；这些装置往往只采用二维空间里并联的方式，很少考虑在多个维度上实现多级放大；同时，纵观各代表性研究成果，芯片材料大都采用硅玻璃(深离子反应刻蚀)和PDMS(光刻蚀技术)，芯片制作复杂，周期较长，成本较高。另外，这些芯片的最小通道尺寸在几十微米左右，极容易堵塞，运行不可靠，更难以适用于工业中高粘度流体的应用。因此在低成本下实现更稳定和更高的液滴产量是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种规模化制备液滴的微流控模块。应用本发明所涉及的微流控模块或者基于此模块化的系统，可实现规模化的液滴或乳液产量。总产量P＝η×(N×M×Q)，与N，M，Q分别成正相关，其中η为单通道产量，N为每个芯片组并联通道个数，M为每个模块堆叠芯片组个数，Q为系统集成模块数。

N直接影响模块基体的大小，N越大模块基体尺寸越大；通过实验研究，M对产品特征参数(粒径分布等)影响最大，其次是N；Q主要是以制造和操作误差影响最终产品。若对产品的特征参数要求很高，则可适当减少M；若对空间的利用有限制，可减小N和Q的数值，提高M。因此，可根据实际中对空间利用、产量需求、所得产品特征参数等来合理权衡三个参数，达到最优的一种效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种规模化制备液滴的微流控模块，其具体实现方式为：

(1)每个芯片组由三个功能区组成，分别为连续相和分散相流体分配功能区和液滴制备功能区，以及若干辅助区；

(2)为防止三个功能区的通道交叉或者流体接触，三个功能区布置在不同的平面层，并由辅助层隔开，以合理的次序排布，实现芯片组的功能要求；

(3)芯片组中并联制备通道的数目N可根据空间利用及相关加工设备决定，芯片组基体尺寸越大，并联的通道数越多；

(4)为实现良好的微流体分配效果，流体分配功能区采用狭小的蛇行通道，由中间缓冲区经蛇形通道分配到液滴制备区各个单元入口；

(5)蛇形分配的设置情况按照文献中报道的实现流体均匀分布的准则进行计算校核，保证在满足均匀性要求的条件下，尽量减少空间的利用；

(6)每个芯片组额外设置两个通孔，以组成竖直通道，且与各分配功能区中间缓冲区相连，这是第二级放大叠加过程的核心；

(7)多个芯片组竖直叠加成模块，由于流经分配功能区中间缓冲区时下游存在较大的液相阻力，不同芯片组的高度差产生的压力变化可忽略，实现比较均匀的竖直方向的流体分配；

(8)整个模块堆叠芯片组的数量M可由实际情况确定，堆叠数量越多，产量越高，效率越高，但是会降低产品的特征参数；反之，堆叠数量越少，产品的特征参数越好；

(9)第一组芯片竖直管路连接相应的给样泵，最后一组芯片连接盲孔结构，模块完成；整个模块只需要一组泵的驱动，减少了泵的消耗；

(10)所有芯片组结构完全一样，多级放大是针对某特定的重复单元在多个维度上进行放大，更适合批量化加工；

(11)模块运行数量Q之间相互独立，也可根据实际产量需求，适合的增加或减少工作的模块数量，操作灵活性更大。

多个制备液滴单元在二维平面并联成为一个芯片组，多个芯片组在三维空间内竖直堆叠作为一个模块，多个模块集成共同运行实现多级放大；

模块的堆叠单元芯片组，芯片组并联多个液滴制备单元，可根据空间利用及相关加工设备条件增加或减少并联个数；

液滴制备单元，可为十字型结构，T型结构，Y型结构或其他液滴微流控制备单元结构形式；

并联方式，可以采用平行并联或者环形并联的方式；

模块的堆叠单元芯片组，芯片组包括连续相和分散相流体分配功能区和液滴制备功能区，以及若干辅助区，按照一定的次序组合而成；

微流控模块，其特征在于模块由多个芯片组竖直堆叠而成，可根据实际产量需求或者产品特征参数要求适当增加或减少芯片组堆叠数量；

微流控模块，其特征在于整个模块只由一组泵驱动，每组芯片额外设置两个竖直管路，并与流体分配功能区相连，流体经泵的驱动均匀分配到竖直各个芯片组；

流体分配功能区采用狭小的蛇行通道，提高液相阻力，保证微流体分配均匀；

流体分配功能区的蛇行通道，最小通道可为几十或几十微米，也可设置为亚毫米级，对加工的要求更低，而且不易堵塞，保证更可靠的运行；

所述各级组成单元，其特征在于成型方式多样化，可利用机械加工、激光雕刻，光刻等方法单元成型并组装方式或者新型的增材制造工艺整体成型；

多级放大，其特征在于是针对某特定的重复单元在多个维度上进行放大，更适合批量化加工。

本发明的有益效果为

所涉及的多级放大策略适用于所有微通道并联放大的场合，结合液滴微流控技术所开发的微流控模块或者基于模块化的系统可实现工业量级的乳液或颗粒产量，且过程可控，液滴球形度高、单分散性好；本发明创新性的提出在多个维度上提高并联的密度，充分实现更高维度的利用率以实现产量的提高。另一方面，本发明提供的微通道结构，最小通道可设置为亚毫米级，可适用于多种加工方式，机械加工，激光加工，或者新型的增材制造工艺，加工制备方便，周期较短，成本较低，易于批量化生产，而不一定需要高精密的光刻蚀，深离子刻蚀所需要的超洁净室；同时，亚毫米级的通道更能适用于工业化的应用，运行可靠，不易堵塞，而且装置可经清洗后重复使用。因此本发明所涉及的微流控模块为液滴微流控技术走向工业化应用提供了极大可能。

附图说明

图1是芯片组结构组成图；附图中虚线表示分散相走相，实线表示连续相走相；

图2是十个芯片组堆叠微流控模块实物图；

图3是以正辛烷体系实验最上层芯片组液滴形成示意图。

附图中的标记为1：上层盖板；2：液滴制备层；3：间隔层；4：流体分配层；5：间隔层；6：流体分配层；7：下层盖板；D/D’：分散相进口；C/C’：连续相进口；P：产品出口；D：分散相入口；C：连续相入口；P：产品出口；

具体实施方式

以下提供本发明一种规模化制备液滴的微流控模块的具体实施方式。

实施例1

选用廉价的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA作为基板材料，采用激光雕刻平台建立微流控制备液滴芯片，经并联、堆叠制备出了多个微流控模块，多个模块集成运行。

如图1所示，芯片组由上下层盖板1和7、液滴制备层2、流体分配层4和6、间隔层3和5等七层构成；其中上下盖板厚度为1mm，液滴制备层厚度为1mm，流体分配层厚度为1.5mm，间隔层厚度为0.5mm，芯片各层尺寸为80mm×80mm；

液滴制备层圆周方向环形并联八个T型液滴制备单元，交叉口处尺寸为500μm×500μm；

流体分配层中间为流体缓冲区，连接各蛇形分配通道的入口(为简化作图以清晰表示，只绘出一个蛇形分配，其余七个沿圆周阵列即可)，蛇形分配出口分别与制备单元对应进口相连；

每个芯片层均额外设置两个通孔，以组成竖直管路并与流体分配层中间缓冲区相连；

所有芯片层是在在聚甲基丙烯酸甲酯PMMA基板上利用二氧化碳激光雕刻机按照设计的图形完成加工制备；

芯片各层经超声清洗、干燥后，按照次序在设定的温度93℃和压力0.2MPa下完成热压键合封装，组成芯片组，可实现较高的键合强度与较小的通道变形；

重复加工及操作得到若干结构完全一致的芯片组，芯片组大小80mm×80mm×7mm，采用去离子水对芯片组系统进行渗漏测试；

芯片组堆叠的过程如下：

每个芯片组竖直管路分别与其他芯片组竖直管路连接，竖直管路流体均匀分配到各层中间缓冲区(见图1中实线与虚线走向)；

十个芯片组竖直叠加组成一个模块，芯片组之间设置1mm密封环，保证竖直通孔的同轴度及密封性，由专用胶连接在一起，十个芯片组模块大小为80mm×80mm×80mm，图2是十个芯片组堆叠的微流控模块实物图，其中C为连续相进口，D为分散相进口，P为液滴出口；

微流控模块第一个芯片组连接接管，与泵源连接，第十个芯片组连接盲孔结构；

为了对本发明所涉及的微流控模块有一个更加全面的认识，我们采用简单的正辛烷油包水体系以及壳聚糖体系对模块进行实验；

正辛烷体系以去离子水加甲基橙染料为分散相，以供观察液滴生成；以含质量分数为5％span80的正辛烷为油相，保证成乳过程中避免乳液的聚合；

壳聚糖体系以含2％壳聚糖的2％乙酸溶液为分散相，以液体石蜡和石油醚体积比为7:5含5％span80为连续相，以戊二醛饱和的甲苯溶液为交联剂；

分别调节分散相和连续相相关的流量参数，每个制备通道的交叉口处在外相流体的剪切下，分散相形成规整的液滴，液滴大小可通过调节两相流体比来实现精准控制；

整个模块实验中，正辛烷的平均粒径为899.12μm，CV值为4.72％，分散相流速为20mL/min，连续相流速为80mL/min；壳聚糖的平均粒径为539.65μm，CV值为3.59％，分散相流速为8mL/min，连续相流速为80mL/min；

图3是正辛烷体系液滴生成图；

实验结果表明，堆叠对各层的粒径分布是有影响的，主要取决于竖直管路分配的主导因素，压力与黏性力的综合作用产生最后的结果；

本实施例以每个芯片组环形并联八个T型制备单元，十个芯片组堆叠组成模块，五个模块集成运行为例，当制备900微米左右的液滴时，乳液产量可达将近每天720kg，提高进料流速，产量还可提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种规模化制备液滴的微流控模块，其特征在于，其具体实现方式为：

(1)每个芯片组由三个功能区组成，分别为连续相和分散相流体分配功能区和液滴制备功能区，以及若干辅助区；

(2)为防止三个功能区的通道交叉或者流体接触，三个功能区布置在不同的平面层，并由辅助层隔开，以合理的次序排布，实现芯片组的功能要求；

(3)芯片组中并联制备通道的数目N根据空间利用及相关加工设备决定，芯片组基体尺寸越大，并联的通道数越多；

(4)为实现良好的微流体分配效果，流体分配功能区采用狭小的蛇行通道，由中间缓冲区经蛇形通道分配到液滴制备区各个单元入口；

(5)蛇形分配的设置情况按照文献中报道的实现流体均匀分布的准则进行计算校核，保证在满足均匀性要求的条件下，尽量减少空间的利用；

(6)每个芯片组额外设置两个通孔，以组成竖直通道，且与各分配功能区中间缓冲区相连，这是第二级放大叠加过程的核心；

(7)多个芯片组竖直叠加成模块，由于流经分配功能区中间缓冲区时下游存在较大的液相阻力，不同芯片组的高度差产生的压力变化可忽略，实现比较均匀的竖直方向的流体分配；

(8)整个模块堆叠芯片组的数量M可由实际情况确定，堆叠数量越多，产量越高，效率越高，但是会降低产品的特征参数；反之，堆叠数量越少，产品的特征参数越好；

(9)第一组芯片竖直管路连接相应的给样泵，最后一组芯片连接盲孔结构，模块完成；整个模块只需要一组泵的驱动，减少了泵的消耗；

(10)所有芯片组结构完全一样，多级放大是针对某特定的重复单元在多个维度上进行放大，更适合批量化加工；

(11)模块运行数量Q之间相互独立，根据实际产量需求，适合的增加或减少工作的模块数量，操作灵活性更大。

2.如权利要求1所述的一种规模化制备液滴的微流控模块，其特征在于，多个制备液滴单元在二维平面并联成为一个芯片组，多个芯片组在三维空间内竖直堆叠作为一个模块，多个模块集成共同运行实现多级放大。

3.如权利要求1所述的一种规模化制备液滴的微流控模块，其特征在于，模块的堆叠单元芯片组，芯片组并联多个液滴制备单元，根据空间利用及相关加工设备条件增加或减少并联个数。

4.如权利要求1所述的一种规模化制备液滴的微流控模块，其特征在于，液滴制备单元，为十字型结构，T型结构，Y型结构或其他液滴微流控制备单元结构形式；

并联方式，可以采用平行并联或者环形并联的方式。

5.如权利要求1所述的一种规模化制备液滴的微流控模块，其特征在于，模块由多个芯片组竖直堆叠而成，根据实际产量需求或者产品特征参数要求适当增加或减少芯片组堆叠数量。

6.如权利要求1所述的一种规模化制备液滴的微流控模块，其特征在于，微流控模块，整个模块只由一组泵驱动，每组芯片额外设置两个竖直管路，并与流体分配功能区相连，流体经泵的驱动均匀分配到竖直各个芯片组。

7.如权利要求1所述的一种规模化制备液滴的微流控模块，其特征在于，流体分配功能区采用狭小的蛇行通道，提高液相阻力，保证微流体分配均匀。

8.如权利要求1所述的一种规模化制备液滴的微流控模块，其特征在于，流体分配功能区的蛇行通道，最小通道为几十或几十微米，或者设置为亚毫米级。

9.如权利要求1所述的一种规模化制备液滴的微流控模块，其特征在于，所述各级组成单元，成型方式多样化，可利用机械加工、激光雕刻，光刻等方法单元成型并组装方式或者新型的增材制造工艺整体成型。

10.如权利要求1所述的一种规模化制备液滴的微流控模块，其特征在于，多级放大，是针对某特定的重复单元在多个维度上进行放大，更适合批量化加工。