CN109137096A - 一种用于微球和纤维制备的微流控装置 - Google Patents

Abstract

一种用于微球和纤维制备的微流控装置，属于微流控材料制备技术领域，包括液体推进泵、微流控管道、承接件；液体推进泵通过导管连接微流控管道，承接件连接微流控管道；微流控管道包括锥式圆柱形毛细管、平式圆柱形毛细管、方形毛细管；锥式圆柱形毛细管的一端为平口状，另一端为尖锥状；平式圆柱形毛细管的两端均为平口状；锥式圆柱形毛细管和平式圆柱形毛细管的外径与方形毛细管的内径相当，锥式圆柱形毛细管和平式圆柱形毛细管部分插接在方形毛细管内，且圆柱形毛细管的尖锥状端略伸入到平式圆柱形毛细管的一端内、或锥式圆柱形毛细管的平口状端内；该装置结构简单，成本低，操作方便，能制备出不同结构和尺寸的微球或纤维。

Description

一种用于微球和纤维制备的微流控装置

技术领域

本发明属于微流控材料制备技术领域，尤其涉及一种用于微球和纤维制备的微流控装置。

背景技术

微液滴技术是在微尺度通道内，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作用将连续流体分割分离或协同运动的一种微纳技术，它是近年来发展起来的一种全新的操纵微小液滴或微细纤维的技术，广泛应用于生物检测、化学合成、生物分子包覆、材料制备等领域，因此稳定简易的微流控装置的制造是微流控技术发展的关键。目前用于微流控装置的常用技术有在软质硅橡胶上进行光刻、在硬质塑料上进行热压、在硬质无机材料上进行光刻或者化学刻蚀，以上方法不但对实验条件要求严格、容易造成孔道尺寸误差，而且封装后易漏液、微流控尖端出口的微液滴易于团聚，这些问题大大提高了微流控装置的成本，限制了微流控技术的发展。因此开发一种简易稳定的微流控装置成为关键。

CN107138337A公开了一种微滴喷射装置，包括制动器、振子、腔体、振杆、喷嘴、外壳；制动器在振子上方，振子和振杆相连，振杆套入腔体内；喷嘴和腔体下端相连，振子和腔体上端相连；制动器、振子、腔体、振杆、喷嘴置于外壳内部；制动器在PWM信号的驱动下，推动振杆作间歇性的往复直线运动关闭喷嘴或开启喷嘴；振子在PWM信号的驱动下带动振杆作周期性的振荡运动，将连续的液体分割成微小的液滴，这种方法采用的装置结构过于复杂。

CN107661782A公开了一种十字交叉型微通道集成微滴生成芯片，包括芯片底板以及压合在其上的芯片通道集成板；芯片通道集成板上开设第一通孔与芯片底板围成微滴收集存储池；芯片通道集成板上开设十字交叉型槽与芯片底板围成十字交叉型微通道；十字交叉型微通道的一端连通所述微滴收集存储池；芯片通道集成板上开设第二通孔、第三通孔和第四通孔分别与芯片底板围成第一油相输送池、第二油相输送池以及样本相输送池；十字交叉型微通道的另三端连通所述第一油相输送池、第二油相输送池以及样本相输送池，能一次性移出批量微滴到应用平台上，防止了因多通道多出口的多次移液而造成的微滴破裂与融合，该技术方案中的液滴收集池尺寸有限，仍然不适用于批量化生产，且只适用于微滴的制备，不能用于制备纤维，制备的材料结构单一。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种用于微球和纤维制备的微流控装置，该装置结构简单、成本低、操作方便，能制备出不同结构和尺寸的微球或纤维，实现微球、核壳结构、纤维、空心纤维等特殊结构的微米级尺寸构造，同时通过设计有效的承接件实现对材料的成型。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于微球和纤维制备的微流控装置，包括液体推进泵、微流控管道和承接件；

液体推进泵通过导管连接微流控管道，液体推进泵用于将液体推进微流控管道中，并控制液体在微流控管道中的流速和流量；

承接件连接微流控管道，承接件用于承接从微流控管道中流出的微球或纤维；

微流控管道包括锥式圆柱形毛细管、平式圆柱形毛细管和方形毛细管；

锥式圆柱形毛细管的一端为平口状，锥式圆柱形毛细管的另一端为尖锥状；

平式圆柱形毛细管的两端均为平口状；

锥式圆柱形毛细管和平式圆柱形毛细管的外径与方形毛细管的内径相当，锥式圆柱形毛细管和平式圆柱形毛细管部分插接在方形毛细管内，保证方形毛细管中的两根圆形毛细管同轴，且在方形毛细管内锥式圆柱形毛细管的尖锥状端略伸入到平式圆柱形毛细管的一端内、或锥式圆柱形毛细管的平口状端内；液体从锥式圆柱形毛细管的平口状端内流入或方形毛细管与锥式圆柱形毛细管的交接处流入。

所述锥式圆柱形毛细管的尖锥状的制作方法如下：首先将平式圆柱形毛细管的一端进行高温拉制，然后用锻针仪进行特定尖端孔径截取。

锥式圆柱形毛细管的尖锥状尖部的孔径为10～1000μm，可以通过控制锥式圆柱形毛细管的尖端孔径调控微球或者纤维的尺寸，从而制备不同尺寸的微球或者纤维；当锥式圆柱形毛细管为多个时，可以通过改变尖锥状尖部的孔径比改变液体间的相互作用，其孔径比可以达到1:100甚至以上。

锥式圆柱形毛细管、平式圆柱形毛细管和方形毛细管毛细管的表面进行亲疏水处理以防止其堵塞。

所述微流控管道还包括导管连接槽，导管连接槽设于锥式圆柱形毛细管的平口状端，导管连接槽设于方形毛细管与锥式圆柱形毛细管的交接处；导管连接槽设有导管接口和毛细管接口，导管接口与导管连接，毛细管接口内插接有锥式圆柱形毛细管或方形毛细管。

本发明可通过在承接件中施加沿直线流动或旋转流动的液体，液体流动的同时对生成的液滴施加一作用力，使从微流控管道中出来的微球能够分散开来，不会在底部造成团聚；比如，当制备材料为微球或者核壳结构时，在微流控管道的出口处放置一个旋转的承接件并在承接件内装凝固浴，或者在承接件内施加沿直线流动的水流，如此可防止液滴因为表面张力而团聚。

当制备材料为纤维时，在微流控管道的出口处的承接件内放置凝固浴，并通过纤维缠绕马达的滚轴将固化的纤维缠绕起来。

采用本发明制备微球和纤维的方法如下：通过液体推进泵将目标液体以一定的流速均匀地推进微流控管道中，流动的液体分为剪切相和被剪切相，被剪切相通过导管连接槽液流入到锥式圆柱形毛细管的平口状端内，剪切相从方形毛细管与锥式圆柱形毛细管的四角间隙流入，并在锥式圆柱形毛细管和平式圆柱形毛细管的相交处对被剪切相进行剪切产生微小液滴或纤维，经过一次或者多次的剪切，最后在承接件内将制备出的材料进行固化，得到最终的微球或纤维。

本方法中，液体的流速为100μL/h～80mL/h，被剪切相和剪切相的流速比为1:(1～200)；被剪切相与剪切相中均含有乳化剂。

本发明运用流体间的表面张力等因素，其主要过程是如何施以足够大的作用力以扰动连续相与分散相之间存在的界面张力使之达到稳定或失稳。通常，当被剪切相某处施加的力大于其界面张力时，该处微量液体会突破界面张力进入连续相中形成液滴，反之则形成纤维。在微尺度下，界面张力和粘性都起着非常重要的作用。通常引入毛细管数Ca这一重要的动力学常数，Ca＝μU/γ，即:体系粘性力与界面张力的比，其中μ表示连续相粘度，U表示连续相流体速度，γ表示两相之间的界面张力。在低毛细管数下，界面张力占据主要地位，液体在传输过程中趋于形成球形来减少液滴的表面积。相反，在毛细管数较大时，粘度起主要作用，液滴在传输过程中容易变形，拉伸成不对称形状。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明通过对锥式圆柱形毛细管尖端孔径和液体流速的控制，实现了微球和纤维的制备，一方面，可以通过控制锥式圆柱形毛细管的尖端孔径调控微球或者纤维的尺寸，从而制备不同尺寸的微球或者纤维；另一方面，通过对液相的选择和流速的控制，实现对材料的尺寸和结构的调控。

2、本发明运用微尺度内限域流体的特殊性质进行材料制备，有别于传统的装置，这种微流控装置构造简单易于制造，大大节约了器件构造的成本，并且其稳定的性能易于操作，对操作环境要求低，适用于产业化应用。

3、本发明通过设计有效的承接方式对材料进行固化和保存，通过在承接件内设置流动的液体或者使承接件形成旋转，使微球更容易分散，使微球的均一性更好。

4、本发明可以将多个锥式圆柱形毛细管、方形毛细管和圆柱形毛细管进行组合排列，对液体形成多次剪切，从而能够制备出核壳结构和空心纤维结构。

5、本发明结构简单、操作方便，在操作完毕后，可以对微流控装置进行清洗并重复使用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为制备实心微球和实心纤维的微流控管道示意图；

图3为制备核壳微球和双层纤维的微流控管道示意图；

图4为图2的A-A截面示意图；

图5为图2的B-B截面示意图；

图6为制备微球的原理示意图；

图7为制备纤维的原理示意图；

图8为制备实心微球的微流控装置结构示意图；

图9为制备核壳微球的微流控装置结构示意图；

图10为制备实心纤维的微流控装置结构示意图；

图11为制备双层纤维的微流控装置结构示意图；

图12为实施例1制备的蚕丝实心微球的光学显微镜图；

图13为实施例2制备的以蚕丝为外壳的核壳微球光学显微镜图；

图14为实施例3制备的海藻酸钠纤维的光学显微镜图；

图15为实施例1中被剪切相流速为300μm/h时，蚕丝实心微球的尺寸随剪切相流速的变化关系图。

附图标记：液体推进泵1，微流控管道2，锥式圆柱形毛细管21，平式圆柱形毛细管22，方形毛细管23，导管连接槽24，导管接口241，底座25，承接件3，旋转凝固浴托盘31，纤维凝固浴槽32，导管4，四角间隙5，胶水6，纤维缠绕马达7。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1～3所示，本发明包括液体推进泵1、微流控管道2、承接件3；其中：

液体推进泵1通过导管4连接微流控管道2，液体推进泵1用于将液体推进微流控管道2中，并控制液体在微流控管道2中的流速和流量；

承接件3连接微流控管道2，承接件3用于承接从微流控管道2中流出的微球或纤维；

微流控管道2包括锥式圆柱形毛细管21、平式圆柱形毛细管22、方形毛细管23、导管连接槽24和底座25；导管连接槽24和方形毛细管23设于底座25上；

锥式圆柱形毛细管21和平式圆柱形毛细管22的外径与方形毛细管23的内径相当，锥式圆柱形毛细管21和平式圆柱形毛细管22部分插接在方形毛细管23内，保证方形毛细管23中的锥式圆柱形毛细管21和平式圆柱形毛细管22同轴，且在方形毛细管23内锥式圆柱形毛细管21的尖锥状端略伸入到平式圆柱形毛细管22的一端内、或锥式圆柱形毛细管21的平口状端内；

导管连接槽24设于锥式圆柱形毛细管21的平口状端，导管连接槽24设于方形毛细管23与锥式圆柱形毛细管21的交接处；导管连接槽24设有导管接口241和毛细管接口，导管接口241与导管4连接，毛细管接口内插接有锥式圆柱形毛细管21或方形毛细管23。

如图4～5所示，在B-B切面中通过导管连接槽24流入的液体可以通过锥式圆柱形毛细管21和方形毛细管23的四角间隙5流入；同时为了防止液体流经四角间隙5从方形毛细管23的另一端造成漏液，在A-A切面中，方形毛细管23的另一端用胶水6进行封堵。

如图1所示，承接件3用于承接从微流控管道2中产出的微球或纤维，对于微球而言，存在由于表面张力作用而发生聚集的情况，承接时在承接件3内给液体一定速率，从而对微球施加一定的力，使微球从微流控管道2中流出后能够更好的分散。承接方式一是施加一个水平直线流动的液体，对微球施加一个轴向力F，使微球分开；承接方式二是在水平面施加一个相对中心旋转的液体，对微球施加一个切向力T，这种设计可以保证所制备的材料的完整性与均一性。

如图8～11所示，本发明所述承接件内装有凝固浴，且承接件可旋转，当制备材料为微球或者核壳结构时，在微流控管道2的出口处放置旋转凝固浴托盘31进行接收，防止液滴因为表面张力而团聚；当制备材料为纤维时，在微流控管道2的出口处设置纤维凝固浴槽32，并通过纤维缠绕马达7的滚轴将固化的纤维缠绕起来。在图8～11中，ω标记为承接件或纤维缠绕马达的旋转方向。

采用本发明制备微球和纤维的方法如下：

如图1～7所示，通过液体推进泵1将目标液体以一定的流速均匀的推进微流控管道2中，被剪切相通过导管连接槽24液流入到锥式圆柱形毛细管21的平口状端内，剪切相从方形毛细管23与锥式圆柱形毛细管21的四角间隙5流入，并在锥式圆柱形毛细管21和平式圆柱形毛细管22的相交处对被剪切相进行剪切产生微小液滴或纤维，经过一次或者多次的剪切，从而制备出微球结构、核壳结构、纤维结构或多层纤维结构，同时通过流动的液体对从微流控管道2里出来的液滴施加应力，使其均匀分散，避免在出口处团聚，承接件3可以为旋转凝固浴托盘31或者纤维凝固浴槽32，在承接件3内将制备出的材料进行固化，得到最终的微球或纤维。

如图3、9、11所示，制备核壳微球和双层纤维时，采用两个锥式圆柱形毛细管21和两个方形毛细管23及平式圆柱形毛细管22，将液体进行两次剪切从而制备出核壳微球和双层纤维的结构。

实施例1

步骤1、将蚕丝进行脱胶，称量10g蚕茧，10g碳酸氢钠，置于2L沸水中，煮丝45min，重复两次；然后用温水揉洗蚕丝10min，重复4次；将脱胶后的蚕丝置于60℃烘箱中隔夜进行干燥，将干燥后的蚕丝置于9.3mol/L的溴化锂溶液中并在60℃烘箱中溶解4h；将溶解的蚕丝溶液透析2天，称量固化量。

步骤2、将一定量的表面活性剂加入蚕丝溶液中，作为被剪切相，同时在油酸中也加入表面活性剂作为剪切相。

步骤3、如图8所示，用液体推进泵1将剪切相和被剪切相以一定流速注入到微流控管道2中，其中被剪切相的流速为100～1000μL/h，剪切相的流速为5～80mL/h；当剪切相与被剪切相的相互作用稳定后，将旋转凝固浴托盘31置于微流控管道2的出口处，使凝固浴旋转是为了防止微球堆积造成团聚；待蚕丝微球凝固后，用乙醇和去离子水除去表面的油酸，得到产物如图12所示，剪切相流速对蚕丝微球尺寸的影响如图15所示。

实施例2

步骤1、将蚕丝进行脱胶，称量10g蚕茧，10g碳酸氢钠，置于2L沸水中，煮丝45min，重复两次；然后用温水揉洗蚕丝10min，重复4次；将脱胶后的蚕丝置于60℃烘箱中隔夜进行干燥；将干燥后的蚕丝置于9.3mol/L的溴化锂溶液中并在60℃烘箱中溶解4h；将溶解的蚕丝溶液透析2天，称量固化量。

步骤2、将苯甲酸苄酯作为内相，将一定量的表面活性剂加入蚕丝溶液中作为中间相，同时在油酸中加入表面活性剂作为外相。

步骤3、如图3、9所示，用液体推进泵1将内相、中间相和外相以一定流速注入到微流控管道2中，其中内相的流速为100～1000μL/h，中间相流速为5～30mL/h，外相流速为20～80mL/h，当三相间的相互作用稳定后，将旋转凝固浴托盘31置于微流控管道2的出口处，使凝固浴旋转是为了防止微球堆积造成团聚，核壳结构蚕丝微球稳定后，用乙醇和去离子水除去表面的油酸，得到产物如图13所示。

实施例3

步骤1、量取一定量的海藻酸钠将其配制成质量分数为1wt％的海藻酸钠溶液，称量一定量的聚乙二醇20000(PEG20000)，配制成质量分数为5wt％的溶液，同时称量一定量的氯化钙(CaCl₂)加入配制好的PEG溶液中，使其充分溶解。

步骤2、将配制好的海藻酸钠溶液作为被剪切相，将PEG溶液作为剪切相，其中的CaCl₂作为引发海藻酸钠交联的引发剂，同时在纤维凝固浴槽32中加入1mol/L的CaCl₂溶液使纤维进一步固化。

步骤3、如图10所示，用液体推进泵1将剪切相和被剪切相以一定流速注入到微流控管道2中，其中被剪切相的流速为500～2000μL/h，剪切相流速为5～20mL/h，当剪切相与被剪切相的相互作用稳定后，将纤维通入到纤维凝固浴槽32中进一步固化，同时用纤维缠绕马达7对纤维进行缠绕收集，得到产物如图14所示。

实施例4

步骤1、量取一定量的海藻酸钠将其配制成质量分数为1wt％的海藻酸钠溶液，称量一定量的聚乙二醇20000(PEG20000)，配制成质量分数为5wt％的溶液，同时称量一定量的氯化钙(CaCl₂)加入配制好的PEG溶液中，使其充分溶解。

步骤2、将二甲基硅油作为内相，将配制好的海藻酸钠溶液作为被中间相，将PEG溶液作为外相，其中的CaCl₂作为引发海藻酸钠交联的引发剂，同时在纤维凝固浴槽32中加入1mol/L的CaCl₂溶液使纤维进一步固化。

步骤3、如图11所示，用液体推进泵1将内相、中间相和外相以一定流速注入到微流控管道2中，其中内相的流速为500～2000μL/h，中间相的流速为1～10mL/h，外相流速为5～20mL/h，当三相的相互作用稳定后，将纤维通入到纤维凝固浴槽32中进一步固化，同时用纤维缠绕马达7对纤维进行缠绕收集，得到产物后将纤维内部的二甲基硅油内相清除掉，即得到海藻酸钠空心纤维。

Claims (10)

1.一种用于微球和纤维制备的微流控装置，其特征在于：包括液体推进泵、微流控管道和承接件；

所述液体推进泵通过导管连接微流控管道，液体推进泵用于将液体推进微流控管道中，并控制液体在微流控管道中的流速和流量；

所述承接件连接微流控管道，承接件用于承接从微流控管道中流出的微球或纤维；

所述微流控管道包括锥式圆柱形毛细管、平式圆柱形毛细管和方形毛细管；

所述锥式圆柱形毛细管的一端为平口状，锥式圆柱形毛细管的另一端为尖锥状；

所述平式圆柱形毛细管的两端均为平口状；

锥式圆柱形毛细管和平式圆柱形毛细管的外径与方形毛细管的内径相当，锥式圆柱形毛细管和平式圆柱形毛细管部分插接在方形毛细管内，且在方形毛细管内锥式圆柱形毛细管的尖锥状端部分伸入到平式圆柱形毛细管的一端内、或锥式圆柱形毛细管的平口状端内；

液体从锥式圆柱形毛细管的平口状端内流入或方形毛细管与锥式圆柱形毛细管的交接处流入。

2.如权利要求1所述一种用于微球和纤维制备的微流控装置，其特征在于：所述微流控管道还包括导管连接槽，导管连接槽设于锥式圆柱形毛细管的平口状端，导管连接槽设于方形毛细管与锥式圆柱形毛细管的交接处；导管连接槽设有导管接口和毛细管接口，导管接口与导管连接，毛细管接口内插接有锥式圆柱形毛细管或方形毛细管。

3.如权利要求1所述一种用于微球和纤维制备的微流控装置，其特征在于：所述锥式圆柱形毛细管的尖锥状的制作方法如下：首先将平式圆柱形毛细管的一端进行高温拉制，然后用锻针仪进行特定尖端孔径截取。

4.如权利要求3所述一种用于微球和纤维制备的微流控装置，其特征在于：所述锥式圆柱形毛细管的尖锥状尖部的孔径为10～1000μm。

5.如权利要求1所述一种用于微球和纤维制备的微流控装置，其特征在于：所述承接件内施加有沿直线流动的液体或旋转流动的液体。

6.如权利要求1所述一种用于微球和纤维制备的微流控装置，其特征在于：所述承接件内装有凝固浴。

7.如权利要求6所述一种用于微球和纤维制备的微流控装置，其特征在于：所述承接件可旋转。

8.如权利要求6所述一种用于微球和纤维制备的微流控装置，其特征在于：还包括纤维缠绕马达，纤维缠绕马达用于将微流控管道产出的纤维进行缠绕收集。

9.使用权利要求1～8任一项所述一种用于微球和纤维制备的微流控装置制备微球和纤维的方法，其特征在于：通过液体推进泵将目标液体推进微流控管道中，流动的液体分为剪切相和被剪切相，被剪切相通过导管连接槽液流入到锥式圆柱形毛细管的平口状端内，剪切相从方形毛细管与锥式圆柱形毛细管的四角间隙流入，并在锥式圆柱形毛细管和平式圆柱形毛细管的相交处对被剪切相进行剪切产生液滴或纤维，经过至少一次的剪切，最后在承接件内将制备出的材料进行固化，得到最终的微球或纤维。

10.如权利要求9所述制备微球和纤维的方法，其特征在于：所述将目标液体推进微流控管道中的流速为100μL/h～80mL/h，被剪切相和剪切相的流速比为1:(1～200)；被剪切相与剪切相中均含有乳化剂。