CN107433213A - 一种三维并联式多重乳液快速制备装置 - Google Patents

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    • B01L2300/0874—Three dimensional network

Abstract

本发明公布了一种三维并联式多重乳液快速制备装置，包括一个内流体分配通道，其上连接有内流体入口接管；若干个外流体分配通道，其上连接有外流体入口接管；一个乳液收集通道，其上连接有出口接管；所述内流体分配通道和乳液收集通道之间连接有若干个乳液生成单元，并且所述乳液生成单元分别与每个外流体分配通道连接。这种三维并联式多重乳液生成装置，采用模块化设计，具有良好的可扩展性和高空间利用率，可以实现多重乳液的快速、高效生产；同时，装置内流体分配均匀，避免了流动死区，从而保证了乳液生产的高度单分散性和均一性。

Description

一种三维并联式多重乳液快速制备装置
技术领域
本发明涉及多重乳液的制备领域，特别涉及一种三维并联式多重乳液快速制备装置。
背景技术
多重乳液是一种高度结构化的特殊多相流体结构，它是多组分流体互相嵌套构成。多重乳液液滴特殊的核壳结构使得其可以用于选择性提取、提纯、口服给药、胃肠通道的毒素吸收等等，它在生物医学、食品、化工等行业有着广泛的应用。传统的多重乳液制备方法通常存在制得的多重乳液液滴球形度不高、液滴大小不均一、单分散性差等诸多问题。此外传统的生产装置分配通道很长，流动死区很大，制备效率低。故迫切需求开发高度单分散的多重乳液的制备方法与可控性更好、流动死区更小、生产效率更高的制造设备。目前高品质多重乳液制备工艺中最具发展前景的当推微流控装置。基于微流控的多重乳液制备技术具有高度的可控性和原料利用率，所制备的多重乳液单分散性好、均一度高、球形度好，在生物医学、化学化工等领域有着广阔的应用前景。
微流控的关键核心就是微流控芯片，它决定着多重乳液的质量和产率。通常的多重乳液微流控装置多为单通道的，一次只能产生一个多重乳液液滴，生产率低且生产耗时长，阻碍了微流控技术在多重乳液实际生产中的应用。
提高多重乳液的生产效率可以采用多个乳液生成通道并联的形式，然而并联的制备通道需要达到很高的均一度才能保证所制得的乳液的均一性，但是这样需要更高的制造精度。
目前传统的制造技术已经无法满足制造的要求。此外还可以采用将流体分配到各个生产单元的方法，这个方法对通道的制作要求低，但很难保证每个生产单元中的流体速度都一致，很难保证乳液单分散性。
当前主流的一些加工并联式液滴生成装置的方法都只能在二维层面，例如软光刻技术、微加工技术等等。这样会形成大量的流动死区，空间利用率低，不利于装置的微型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维并联式多重乳液快速制备装置，其能够减少微流控装置体积、优化分配通道，实现流体均匀分配、保证乳液液滴球形度与单分散性并大幅度提高多重乳液的制备效率。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种三维并联式多重乳液快速制备装置，包括一个内流体分配通道，其上连接有内流体入口接管；若干个外流体分配通道，其上连接有外流体入口接管；一个乳液收集通道，其上连接有出口接管；所述内流体分配通道和乳液收集通道之间连接有若干个乳液生成单元，并且所述乳液生成单元分别与每个外流体分配通道连接。
通过上述方案，这种三维并联式结构集成度高，能够合理优化装置布局，有效避免流动死区。所述装置中并联有多个乳液生成单元，且乳液生成单元的个数可以根据生产需要进行增加，这样能够很好地保证乳液的快速、高效制备。此外，所述多个并联的乳液生成单元共用一个流体分配通道，这既可以减少流体入口数量，简化装置结构，减少空间体积，又可以统一管理和分配各层流体，保证制得乳液的均一性。
进一步的，所述乳液生成单元包括中部设置的一主通道，主通道两侧对称设置有若干对支路，每对支路的两个端部分别与一个外流体分配通道连接。
通过上述方案，这种对称设计能够让主通道内的流体始终受到对称的剪切力，避免液滴粘黏管道内壁，从而保证乳液液滴的球形度和单分散性。
进一步的，所述主通道为多级渐阔型通道，其口径越靠近乳液收集通道越大，每一级渐阔型通道设置有一对支路，每对支路与一个外流体分配通道连接。
通过上述方案，所述主通道的渐阔型设计可以满足不同尺寸、不同层数液滴的生产要求，每一级渐阔型通道的尺寸可以根据所需液滴尺寸进行针对性的设计，通过增加渐阔型通道的级数也可以很方便的制备更多层的多重乳液。
进一步的，所述外流体分配通道设有三个，并且均与内流体分配通道平行并列设置，
通过上述方案，可以使得整个微流控装置结构紧凑，布局合理，大大提高了空间利用率。
进一步的，在外流体分配通道两侧对称设置有匚形的壁面流动通道，并且三对壁面流动通道嵌套设置，每对壁面流动通道分别与主通道两侧的支路连接。
通过上述方案，所述匚形壁面流动通道具有很好的缓冲作用，可以让各层流体均匀分配到每一个乳液生成单元中，从而更好的保证所得乳液的均一性。
进一步的，所述乳液生成单元的主通道和支路构成三个串联的十字交叉通道，由疏水性材料PDMS制成，利用APTES间隔地对所述十字交叉通道的内壁进行亲水性修饰，让所述相邻十字交叉通道内壁具有相反的亲疏水性。
通过上述方案，所述APTES的修饰区域需由生成乳液的类型决定。若生成“W/O/W/O” (油包水、包油、包水) 型多重乳液，需修饰第二个十字交叉通道内壁来改变亲疏水性；生成“O/W/O/W” (水包油包水包油) 型多重乳液则修饰第一个十字交叉通道内壁、第三个十字交叉通道内壁。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明将并联式结构拓展到三维空间，构建了一种三维并联式多重乳液快速制备装置，提高了微流控芯片的空间利用率。该装置能够实现流体均匀分配、乳液快速生成、乳液生产高单分散性和均一性。三维并行式结构可避免流动死区，使整个装置结构紧凑、布置合理。此外，整个装置采用模块化设计，具有良好的可扩展性，能更好地实现多重乳液的快速、高效制备。
附图说明
图1为本实施例的原理图；
图2为本实施例工作流程图；
图3为本实施例的结构示意图；
图4为本实施例体现外流体通道出口结构的示意图；
图5为本实施例体现内流体分配通道和乳液生成单元连接结构的示意图。
图中，1、内流体；2、第一层外流体；3、第二层外流体；4、第三层外流体；5、三重乳液液滴；6、双重乳液液滴；7、单乳液液滴；8、第三层外流体入口接管；9、第二层外流体入口接管；10、第一层外流体入口接管；11、内流体入口接管；12、出口接管；13、内流体分配通道；14、乳液收集通道；15、乳液生成单元；151、主通道；152、支路；16、第一层外流体分配通道；17、第二层外流体分配通道；18、第三层外流体分配通道； 20、外流体通道出口；21、壁面流动通道；24、乳液收集通道出口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。本实施例以制备三重乳液液滴为例。
一种三维并联式多重乳液快速制备装置，如图3、4和5所示，包括一个内流体分配通道13，其上连接有内流体入口接管11；三个外流体分配通道，包括有第一层外流体分配通道16，其上连接有第一层外流体入口接管10，第二层外流体分配通道17，其上连接有第二层外流体入口接管9，第三层外流体分配通道18，其上连接有第三层外流体入口接管8；一个乳液收集通道14，其两端为乳液收集通道出口24，出口处连接有出口接管12；并且，三个外流体分配通道、内流体分配通道13和乳液收集通道14三者依次竖直并列设置。
在内流体分配通道13和乳液收集通道14之间在竖直方向上并列设置三个乳液生成单元15。乳液生成单元15包括一个主通道151，该主通道151为多级渐阔型通道，口径越靠近乳液收集通道14越大，其级数与外流体分配通道的个数对应，此处取三级。每一级的渐阔型通道两侧均对称设置有一对支路152，用于和每一层外流体通道连接。
外流体通道两侧对称设置有匚形的壁面流动通道21，并且三对壁面流动通道21依次嵌套设置，靠近内流体分配通道13的壁面流动通道21位于内侧，远离内流体分配通道13的壁面流动通道21位于外侧。每对壁面流动通道21上对称设置有外流体通道出口 20，用于和每一级的渐阔型通道两侧的支路152连接。并且每对壁面流动通道21上的外流体通道出口 20均设有三对，用于连接三个乳液生成单元15。
具体实施说明：
本发明的原理为，参照图1，内流体1在第一个十字分叉处被第一层外流体2通过协流式作用剪切成单分散的液滴，并被带向下游，形成的单乳液液滴7在第二个十字分叉处经过第二层外流体3第二次协流式作用被剪切成单分散的双重乳液液滴6，然后在第三层外流体4的作用下，于第三处分叉处形成三重乳液液滴5。本发明的乳液生成单元可用3D打印技术制作，打印材料为PDMS,并利用APTES间隔地对通道内壁进行亲水性表面修饰，能够生成高单分散性的三重乳液。本发明的乳液生成单元具有可扩展性，通过添加更多的十字交叉通道可以生成更多重的乳液。
本发明的工作流程为，参照图2和3，内流体1通过内流体入口接管11通入，外流体通过三个外流体入口接管通入。内流体1从内流体分配通道13进入主通道151内，外流体通过壁面流动通道21和支路152进入主通道151内，然后在主通道151内进行剪切作用，经过三级剪切，形成三重乳液液滴。生成的三重乳液汇聚到乳液收集通道14中，从两端的出口接管12处流出，完成三重乳液液滴的快速制备。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种三维并联式多重乳液快速制备装置，其特征是：包括一个内流体分配通道(13)，其上连接有内流体入口接管(11)；若干个外流体分配通道，其上连接有外流体入口接管；一个乳液收集通道(14)，其上连接有出口接管(12)；所述内流体分配通道(13)和乳液收集通道(14)之间连接有若干个乳液生成单元(15)，并且所述乳液生成单元(15)分别与每个外流体分配通道连接。
2.根据权利要求1所述的一种三维并联式多重乳液快速制备装置，其特征是：所述乳液生成单元(15)包括中部设置的一主通道(151)，主通道(151)两侧对称设置有若干对支路(152)，每对支路(152)的两个端部分别与一个外流体分配通道连接。
3.根据权利要求2所述的一种三维并联式多重乳液快速制备装置，其特征是：所述主通道(151)为多级渐阔型通道，其口径越靠近乳液收集通道(14)越大，每一级渐阔型通道设置有一对支路(152)，每对支路(152)与一个外流体分配通道连接。
4.根据权利要求1所述的一种三维并联式多重乳液快速制备装置，其特征是：所述外流体分配通道设有三个，并且均与内流体分配通道(13)平行并列设置。
5.根据权利要求4所述的一种三维并联式多重乳液快速制备装置，其特征是：在外流体分配通道两侧对称设置有匚形的壁面流动通道(21)，并且三对壁面流动通道(21)嵌套设置，每对壁面流动通道(21)分别与主通道(151)两侧的支路(152)连接。
6.根据权利要求4所述的一种三维并联式多重乳液快速制备装置，其特征是：所述乳液生成单元(15) 的主通道（151）和支路（152）构成三个串联的十字交叉通道，由疏水性材料PDMS制成，利用APTES间隔地对所述十字交叉通道的内壁进行亲水性修饰，让所述相邻十字交叉通道内壁具有相反的亲疏水性。
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