CN112892630B - 一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统 - Google Patents

一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于微流控技术领域，公开了一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统；包括液滴产生装置和液滴收集装置，液滴产生装置包括离散相输入装置，离散相输入装置的输出端连接有反应单元，离散相输入装置与反应单元的输入端连接；反应单元的输入端还连接有连续相输入装置，反应单元的输出端连接有液滴输出装置，液滴输出装置与液滴收集装置之间通过光固化系统连通；本发明可同时生成多种材料的液滴，光固化系统可以将液滴固化为多种不同形状，本发明解决了现有液滴产生装置液滴产生效率低，不能快速同时产生多种不同材料液滴的问题。

Description

一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，具体涉及一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统。
背景技术
微液滴在生化、医学、材料等领域具有越来越广泛的应用，从液滴制备技术的发展历程来看，微液滴的制备经历了传统乳化方法、微流控芯片方法和近年来出现的芯片外制备新方法。
目前对于单分散性液滴的制备，微流体液滴被动制备技术如微流控芯片技术、毛细玻璃管技术与不锈钢针管流动聚焦技术等，其结构简单、易操作控制、生产液滴速度快，但是这些方法制备液滴的生成频率不可预测和难以精确控制；微流体液滴主动制备技术可精确控制均匀微液滴的生成，但是需要外源设备的引入，控制系统复杂。
同轴流聚焦装置的设计可以以较高的生产率制备较小直径的微液滴，到目前为止，同轴流聚焦结构大多是用玻璃毛细管或多层SU-8光刻胶或PDMS（聚二甲基硅氧烷）制造的，现有的液滴产生装置液滴产生效率低，更缺乏一种能够快速同时产生多种不同材料液滴的装置。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种技术简单稳定、单分散性好、材料适用性广、可同时生成多种不同材料液滴的基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统，包括液滴产生装置和液滴收集装置，液滴产生装置包括离散相输入装置，离散相输入装置的输出端连接有可产生液滴的反应单元，离散相输入装置与反应单元的输入端连接，反应单元的输入端还连接有连续相输入装置，反应单元的输出端连接有液滴输出装置；液滴输出装置与液滴收集装置之间通过能够将液滴固化的光固化系统连通。
进一步地，连续相输入装置包括竖直设置的连续相输送管，连续相输送管为圆筒形结构，连续相输送管顶端设有与管道连接的接口，连续相输送管底端连接有连续相分流管；连续相分流管为竖直设置的中空的管状结构，以连续相分流管的中轴线为旋转轴，连续相分流管底端均布有多条与反应单元配合的输送管，输送管为中空的矩形管。
进一步地，反应单元包括竖直设置的上反应腔和与上反应腔配合的下反应腔；上反应腔包括外侧毛细管，外侧毛细管为底端开口的圆筒形结构，外侧毛细管内设有与外侧毛细管同轴设置的中空的内侧毛细管，内侧毛细管底端穿过外侧毛细管的开口深入到下反应腔内；上反应腔顶端设有与离散相输入装置配合的离散相接口，上反应腔顶端还设有矩形的凸台，凸台上设有与输送管配合的矩形的连续相接口；离散相接口与内侧毛细管的内腔贯通，连续相接口与外侧毛细管的内腔贯通；下反应腔为顶端开口的圆筒形结构，下反应腔底端设有喷头，喷头为与下反应腔贯通的圆筒形的凸台。
进一步地，光固化系统包括两端分别与液滴输出装置和液滴收集装置连接的光固化芯片，还包括DMD数字微镜，DMD数字微镜连接有计算机模块。
进一步地，光固化芯片为长5cm，宽5cm，高300μm的矩形的板状结构，光固化芯片上均布有多条深度为150μm的凹槽，凹槽两端分别为输入端和输出端，输入端和输出端的宽度均为200微米，长度均为1cm，凹槽中间部分的宽度为500μm。
进一步地，液滴输出装置包括多条与反应单元同轴设置的液滴输出管，液滴输出管为中空的管状结构，液滴输出管顶端设有与喷头配合的碗状的接口，液滴输出管底端设有管套。
进一步地，离散相输入装置包括多条与反应单元同轴设置的的离散相输送管，离散相输送管与上反应腔顶端的离散相接口配合。
进一步地，液滴产生装置还包括保护壳，保护壳包括插接的上保护壳和下保护壳，反应单元和连续相分流管设置在保护壳内；连续相输送管、离散相输送管伸出上保护壳设置，液滴输出管伸出下保护壳设置。
进一步地，一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生方法，包括以下步骤：
S1：使用注射泵将连续相通过连续相输送管输入到反应单元的外侧毛细管中，不同材料的离散相通过多个离散相输送管输送到反应单元的内侧毛细管中；
S2：连续相和离散相在内侧毛细管管口由于两相界面剪切作用产生液滴，液滴通过反应单元的喷口将液滴输送到液滴输出管；
S3：液滴经过管道运送到光固化芯片内，DMD数字微镜发射出的不同投影形状的光照将光固化芯片内的液滴固化为不同形状；
S4：经过固化后的液滴通过管道运送到液滴收集装置完成对液滴的收集。
进一步地，内侧毛细管直径为215-243μm，外侧毛细管直径为440-460μm，喷头直径为140-160μm，连续相输送管、离散相输送管的直径为240-260μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）装置设置了多个离散相输送管，每个离散相输送管均连接有反应单元，可以通过离散相输送管将不同材料的离散相输送到反应单元的内侧毛细管中；通过连续相分流管将连续相分流到不同的反应单元中，连续相和离散相在内侧毛细管管口由于两相界面剪切作用产生液滴，液滴通过管道运输到光固化系统将液滴固化，然后收集，从而达到了同时产生不同材料液滴的目的，大大提高了液滴的生成效率。
（2）光固化系统包括光固化芯片，光固化芯片上设有两端细中间粗的凹槽，凹槽两端分别与液滴输出装置和液滴收集装置连接；液滴进入到光固化芯片上的凹槽内，由于凹槽宽度变大，液滴的移动速度降低，从而更加方便对液滴进行固化；光固化系统还包括与计算机模块连接的DMD数字微镜，DMD数字微镜发射出不同投影形状的光照对液滴进行固化，液滴可以固化为不同的形状，而且DMD数字微镜可以满足照射出不同波长的光实现不同沟道中各自材料液滴的固化，从而达到整个系统同一时间产生多材料、多形状液滴的效果。
（3）液滴输出管一端设有碗状的接口，能够更好的接收从喷口排出的液滴；由于液滴输出管的直径很小，液滴输出管的一端设有管套，更加方便了管路的连接，操作方便。
附图说明
图1为本发明系统的整体结构示意图；
图2为本发明液滴产生装置的爆炸图；
图3为不含保护壳的液滴产生装置的内部结构示意图；
图4为上反应腔的三维结构示意图；
图5为图4沿竖直面的剖视图；
图6为下反应腔的三维结构示意图；
图7为图6沿竖直面的剖视图；
图8为上反应腔和下反应腔配合时的半剖视图；
图9为连续相分流管的三维结构示意图；
图10为图9沿竖直面的剖视图；
图11为液滴输出管与管套配合时的三维结构示意图；
图12为图11沿竖直面的剖视图；
图13为光固化芯片的三维结构示意图。
图中：连续相输送管1，离散相输送管2，上保护壳3，下保护壳4，液滴输出管5，管套6，光固化芯片7，液滴收集管8，支架9，计算机模块10，DMD数字微镜11，光线12，连续相分流管13，上反应腔14，下反应腔15，离散相接口16，连续相接口17，喷头18，输送管19。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的解释说明。
参见图1-图13，一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统，包括液滴产生装置，液滴产生装置包括连续相输入装置，连续相输入装置包括一竖直设置的连续相输送管1，连续相输送管1顶端为输入端，底端为输出端；连续相输送管1直径为250μm的中空的圆筒状结构，连续相输送管1顶端设有直径较大的圆筒状接口，连续相输送管1底端连接有连续相分流管13，连续相分流管13为竖直设置的中空的管状结构，以连续相分流管13的中轴线为旋转轴，连续相分流管13底端均布有六条输送管19，输送管19内部通道尺寸为宽70μm高40μm，六条输送管19呈环形分布，输送管19为中空的矩形管，输送管19的输出端连接有反应单元。
反应单元包括竖直设置的上反应腔14和与上反应腔14配合的下反应腔15；上反应腔14包括外侧毛细管，外侧毛细管为底端开口的圆筒形结构，外侧毛细管的直径为450μm，外侧毛细管内设有与外侧毛细管同轴设置的中空的内侧毛细管，内侧毛细管直径为229μm，内侧毛细管底端穿过外侧毛细管的开口深入到下反应腔15内；上反应腔14顶端设有离散相接口16，离散相接口16连接有离散相输入装置，离散相输入装置为竖直设置的离散相输送管2，离散相输送管2直径为250μm，离散相输送管2一端与反应单元的离散相接口16连接，另一端设有圆筒形的与管道配合的接口；上反应腔14顶端还设有矩形的凸台，凸台上设有与输送管19配合的矩形的连续相接口17；离散相接口16与内侧毛细管的内腔贯通，连续相接口17与外侧毛细管的内腔贯通；下反应腔15为顶端开口的圆筒状结构，下反应腔15底端设有喷头18，喷头18直径为150μm，喷头18为与下反应腔15贯通的圆筒形的凸台，喷头18与液滴输出装置连接。
液滴输出装置包括与反应单元同轴设置的液滴输出管5，液滴输出管5为中空的管状结构，液滴输出管5顶端设有与喷头18配合的碗状的接口，液滴输出管5底端设有方便与管道连接的管套6；液滴输出管5通过管道连接有液滴收集装置，液滴收集装置包括支架9，支架9上设有与液滴输出管5连接的六个不同的液滴收集管8，液滴收集管8上设有记录材料名称的标签。
液滴产生装置还包括保护壳，上保护壳3和下保护壳4采用打印机树脂材料（打印树脂材料的编号为M09-HARZ-HTM140M，制造商为EnvisionTEC）3D打印而成。保护壳包括插接的上保护壳3和下保护壳4，上保护壳3和下保护壳4上分别设有插针和插孔，上保护壳3和下保护壳4插接；反应单元和连续相分流管13设置在保护壳内；连续相输送管1、离散相输送管2伸出上保护壳3设置，液滴输出管5伸出下保护壳4设置。
液滴输出装置与液滴收集装置之间还设有将液滴固化的光固化系统，光固化系统包括两端分别与液滴输出装置和液滴收集装置连接的光固化芯片7，光固化芯片7由PDMS（聚二甲基硅氧烷）材料制作，为长5cm，宽5cm，高300μm的矩形的板状结构，光固化芯片7上均布有多条深度为150μm的凹槽，凹槽两端分别为输入端和输出端，输入端和输出端的宽度均为200微米，长度均为1cm，凹槽中间部分的宽度为500μm；光固化系统还包括DMD数字微镜11，DMD数字微镜11连接有计算机模块10。
一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生方法，包括以下步骤：
S1：使用注射泵将连续相通过连续相输送管1输入到反应单元的外侧毛细管中，不同材料的离散相通过不同的离散相输送管2输送到反应单元的内侧毛细管中；
S2：连续相和离散相在内侧毛细管管口由于两相界面剪切作用产生液滴，液滴通过反应单元的喷口将液滴输送到液滴输出管5；
S3：液滴经过管道运送到光固化芯片7内，DMD数字微镜11发射出的不同投影形状的光线12将光固化芯片7内的液滴固化为不同形状；
S4：经过固化后的液滴通过管道运送到液滴收集装置完成对液滴的收集。
本申请提供的装置通过设置多个离散相输送管2，每个离散相输送管2均连接有反应单元，可以通过离散相输送管2将不同材料的离散相输送到反应单元的内侧毛细管中；通过连续相分流管13将连续相分流到不同的反应单元中，连续相和离散相在内侧毛细管管口由于两相界面剪切作用产生液滴，液滴通过管道运输到光固化系统的光固化芯片7上，通过DMD数字微镜11发射出的不同投影形状的光线12将液滴固化，然后收集，从而达到了同时产生不同材料液滴的目的，大大提高了液滴的生成效率，已知可以生产具有良好细胞相容性的微液滴，以应用于组织工程，同轴流聚焦结构在一定程度上解决了微流控芯片技术等对专业人士的操作具有很强依赖性的问题，以其技术简单稳定、单分散性好、材料适用性广等优势有望广泛应用于生物化学等领域。
实施例2
一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统，与实施例1的区别仅在于，连续相输送管1、离散相输送管2的直径均为240微米，输送管19内部通道在竖直面的截面尺寸为长60微米，宽30微米，内侧毛细管的直径为215μm，外侧毛细管的直径为440微米，喷头18的直径为140μm。
实施例3
一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统，与实施例1的区别仅在于，连续相输送管1、离散相输送管2的直径均为260微米，输送管19内部通道在竖直面的截面尺寸为长80微米，宽50微米，内侧毛细管的直径为243μm，外侧毛细管的直径为460微米，喷头18的直径为160μm。
实施例4
一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统，与实施例1的区别仅在于，离散相输送管2、反应单元、液滴输出管5均设有两个，光固化芯片7上设有两条凹槽，可以同时产生两种不同材料的液滴。
实施例5
一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统，与实施例1的区别仅在于，离散相输送管2、反应单元、液滴输出管5均设有四个，光固化芯片7上设有四条凹槽，可以同时产生四种不同材料的液滴。
实施例6
一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统，与实施例1的区别仅在于，离散相输送管2、反应单元、液滴输出管5均设有七个，光固化芯片7上设有七条凹槽，可以同时产生七种不同材料的液滴。

Claims (3)

1.一种基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统，包括液滴产生装置和液滴收集装置，其特征在于，所述液滴产生装置包括离散相输入装置，离散相输入装置的输出端连接有反应单元，离散相输入装置与反应单元的输入端连接；所述反应单元的输入端还连接有连续相输入装置，反应单元的输出端连接有液滴输出装置，液滴输出装置与液滴收集装置通过光固化系统连通；所述反应单元包括竖直设置的上反应腔和与上反应腔配合的下反应腔；所述上反应腔包括外侧毛细管，外侧毛细管为底端开口的圆筒形结构，外侧毛细管内设有与外侧毛细管同轴设置的内侧毛细管，内侧毛细管穿过外侧毛细管的开口深入到下反应腔内；所述光固化系统包括光固化芯片，光固化芯片两端分别与液滴输出装置和液滴收集装置连接；所述光固化系统还包括与光固化芯片配合使用的DMD数字微镜，DMD数字微镜连接有计算机模块；所述连续相输入装置包括竖直设置的连续相输送管，连续相输送管为圆筒形结构，连续相输送管顶端设有与管道连接的接口，连续相输送管底端连接有连续相分流管；所述连续相分流管为竖直设置的中空的管状结构，以连续相分流管的中轴线为旋转轴，连续相分流管底端均布有多条与反应单元配合的输送管，输送管为中空的矩形管；所述上反应腔顶端设有与离散相输入装置配合的离散相接口，上反应腔顶端还设有与输送管配合的矩形的连续相接口，离散相接口与内侧毛细管的内腔贯通，连续相接口与外侧毛细管的内腔贯通；所述下反应腔为顶端开口的圆筒形结构，下反应腔底端设有喷头；所述光固化芯片为矩形的板状结构，光固化芯片上均布有多条凹槽，凹槽为两端细中间粗的矩形槽；所述液滴输出装置包括多条与反应单元同轴设置的液滴输出管，液滴输出管为中空的管状结构，液滴输出管顶端设有与喷头配合的碗状的接口，液滴输出管底端设有管套；所述离散相输入装置包括多条与反应单元同轴设置的离散相输送管，离散相输送管与上反应腔顶端的离散相接口配合。
2.根据权利要求1所述的基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统，其特征在于，所述液滴产生装置还包括保护壳，反应单元设置在保护壳内，连续相输送管、离散相输送管和液滴输出管均伸出保护壳设置。
3.根据权利要求2所述的基于同轴流聚焦结构的多材料液滴产生系统，其特征在于，与反应单元配合的所述输送管内部通道尺寸为宽70μm高40μm；所述外侧毛细管的直径为450μm，所述内侧毛细管直径为229μm；所述离散相输送管直径为250μm，所述喷头直径为150μm。
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