CN114260035B - 一种多层包裹微流控芯片与细胞颗粒生成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层包裹微流控芯片，所述芯片包括样液注入口、水相鞘液注入口、第一层包裹油相物质注入口、第二层包裹水相物质注入口、第三层包裹油相物质注入口、第四层包裹水相物质注入口、去油通道、表面活性剂注入口、干细胞颗粒收集腔。本发明的有益效果在于，实现了高通量，集成化的同时，利用微流控芯片通过控制分散相通入的速度，制备出均一性良好的多层包裹微流控液滴，分开的单一流道无需担心水油融合而加入催化剂，不需要装置组装，且在液滴形成出加入温控装置，使生成的液滴快速凝胶化，使效率变得更高。解决了液滴形成速度以及通量等问题。

Description

一种多层包裹微流控芯片与细胞颗粒生成器

技术领域

本发明涉及微流控技术与生物医学的交叉技术领域，具体涉及一种多层包裹微流控芯片与细胞颗粒生成器。

技术背景

液滴微流体技术(Droplet Microfluidics)是近十年来在微流控平台上发展起来的一种操纵微小体积液体的技术,是关于软物质、生物化学以及微系统工程的交叉领域的研究。其应用范围涉及快速分析系统、先进材料的合成、蛋白质的结晶以及生物细胞的鉴定等方面。基于液滴的微流控系统已经被证明能够很好地与化学生物试剂相结合,能够执行各种数字微流体中的编程方法和配置。该技术具有时间尺度上的极大优势,能够实现液滴反应器中的快速混合,以减少反应时间,再加上能够精确生成液滴以及对其进行大量的重复操作,使得基于液滴的微流体系统成为生化研究和应用中有效的高通量平台。除了被用作微纳米尺度的反应器,基于液滴的微流体系统还被用于直接合成粒子,封装生物实体以用于生物医学和生物技术领域。因此基于液滴的微流控系统对于当今生物工程和材料工程具有重大的意义。

目前现有的微流控液滴生成技术有很多种，但对多层液滴包裹的生成办法少之又少，现在常见的有技术有：第一种利用液滴的粘性与激光的能量击穿液体阈值，让多种不同不相容液滴附着在圆形的玻璃基片上，再通过激光能量透过玻璃基片推动最靠近第一表面的介质层依次嵌入其他介质层中，形成多层液滴。如中国发明专利，专利名称：一种多层液滴包裹的形成方法，专利公开号：106890683。

第二种微系统中用三通接头构成T型微流体通道，使得分散相在连续相强烈的剪切力和压力差作用下断裂形成单个微米级液滴。在制备单个微液滴基础上，用毛细管将两个三通接头串联，通过调控三相流量，可产生双重包裹液滴。

然而，当前的两种方法的液滴形成速度或者通量各有限制。且上述两种方法所用仪器多为组装无法集成化完成多层液滴的生成，因此如何提供一种集成式多层液滴形成技术成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明旨在于提供一种多层包裹微流控芯片与细胞颗粒生成器，利用创新的微流控芯片，通过控制分散相通入的速度，制备出均一性良好的多层包裹微流控液滴，分开的单一流道无需担心水油融合而加入催化剂，不需要装置组装，且在液滴形成出加入温控装置，使生成的液滴快速凝胶化，使效率变得更高。解决了液滴形成速度以及通量等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多层包裹微流控芯片，所述芯片包括样液注入口、水相鞘液注入口、第一层包裹油相物质注入口、第二层包裹水相物质注入口、第三层包裹油相物质注入口、第四层包裹水相物质注入口、去油通道、表面活性剂注入口、干细胞颗粒收集腔；其中

所述样液注入口、所述水相鞘液注入口、所述第一层包裹油相物质注入口、所述第二层包裹水相物质注入口、所述第三层包裹油相物质注入口、所述第四层包裹水相物质注入口依次分布设置于同一轴线上；

所述样液注入口的流道出口、所述水相鞘液注入口的流道出口、所述第一层包裹油相物质注入口的流道出口、所述第二层包裹水相物质注入口的流道出口、所述第三层包裹油相物质注入口的流道出口、所述第四层包裹水相物质注入口的流道出口依次分布设置于同一轴线上并形成汇集口，所述汇集口与所述表面活性剂注入口连通；

所述表面活性剂注入口的流道出口与所述干细胞颗粒收集腔连通；所述去油通道设置于所述汇集口的一侧并与其连通。

需要说明的是，所述所述样液注入口、所述水相鞘液注入口、所述第一层包裹油相物质注入口、所述第二层包裹水相物质注入口、所述第三层包裹油相物质注入口、所述第四层包裹水相物质注入口依次远离于所述汇集口。

需要说明的是，还包括加热装置，所述加热装置设置于所述样液注入口的流道的两侧。

需要说明的是，还包括废液池，所述废液池设置于所述表面活性剂注入口的流道出口与所述干细胞颗粒收集腔的入口之间。

需要说明的是，所述去油通道中设有三角形结构，所述三角形结构能够更利于所形成的干细胞液滴穿过通道进入到水相中。

本发明还提供一种具有多层包裹微流控芯片的干细胞颗粒生成器，包括多层包裹微流控芯片、试管槽、芯片夹具与压力泵。

本发明的有益效果在于，实现了高通量，集成化的同时，利用微流控芯片通过控制分散相通入的速度，制备出均一性良好的多层包裹微流控液滴，分开的单一流道无需担心水油融合而加入催化剂，不需要装置组装，且在液滴形成出加入温控装置，使生成的液滴快速凝胶化，使效率变得更高。解决了液滴形成速度以及通量等问题。

附图说明

图1为本发明的多层包裹微流控芯片结构示意图；

图2为图1中去油通道的结构示意图；

图3为本发明应用于干细胞颗粒生成器的结构示意图。

具体实施例

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，本发明为一种多层包裹微流控芯片，所述芯片包括样液注入口1、水相鞘液注入口2、第一层包裹油相物质注入口3、第二层包裹水相物质注入口4、第三层包裹油相物质注入口5、第四层包裹水相物质注入口6、加热装置7、去油通道8、表面活性剂注入口9、废液池10、干细胞颗粒收集11。

需要指出的是，基于本发明的各个注入口的距离不同，因此其对应的流道的长度也不同，在各个流道为共轴设计下，通过控制流速，实现液滴的多层包裹。

进一步的，如图1所示，所述样液注入口1、所述水相鞘液注入口2、所述第一层包裹油相物质注入3、所述第二层包裹水相物质注入口4、所述第三层包裹油相物质注入口5、所述第四层包裹水相物质注入口6依次分布设置于同一轴线上。

进一步的，为了实现多层包裹，所述样液注入口的流道出口、所述水相鞘液注入口的流道出口、所述第一层包裹油相物质注入口的流道出口、所述第二层包裹水相物质注入口的流道出口、所述第三层包裹油相物质注入口的流道出口、所述第四层包裹水相物质注入口的流道出口依次分布设置于同一轴线上并形成汇集口，所述汇集口与所述表面活性剂注入口连通。

进一步的，如图1所示，所述表面活性剂注入口9的流道出口与所述干细胞颗粒收集腔11连通；所述去油通道8设置于所述汇集口的一侧并与其连通。

进一步的，所述所述样液注入口、所述水相鞘液注入口、所述第一层包裹油相物质注入口、所述第二层包裹水相物质注入口、所述第三层包裹油相物质注入口、所述第四层包裹水相物质注入口依次远离于所述汇集口。

进一步的，如图1所示，通过过加热装置7，可以促进钙离子和海藻酸钠的交联反应速度，实现内层包裹的快速凝胶化，从而保证了包裹物的稳定性。更进一步的，所述加热装置7设置于所述样液注入口1的流道的两侧。

进一步的，如图1所示，所述废液池10设置于所述表面活性剂注入口9的流道出口与所述干细胞颗粒收集腔的入口之间。

如图2所示，所述去油通道8中设有三角形结构，所述三角形结构能够更利于所形成的干细胞液滴穿过通道进入到水相中。

如图3所示，本发明还提供一种具有多层包裹微流控芯片的干细胞颗粒生成器，包括多层包裹微流控芯片1、试管槽2、芯片夹具3与压力泵(图未示)。

实施例1

本发明的芯片设计各流速不同的流道，实现一步式多层包裹液滴的生成，并辅以加热装置，提高水凝胶的生成速度，形成稳定的液滴结构。具体的说，第一层包裹油相物质、第二层包裹水相物质、第三层包裹油相物质、第四层包裹水相物质，各注入口注入对应样液后，待流速稳定时将开始形成多层包裹的液滴，由于各个流道为共轴式设计，使最内层包裹物从中心流道出口处流出后，受到第二、三、四流道的液体从两侧进行的挤压，由于粘性力与两相间表面张力的作用下促使液体“断裂”，从而一步形成多层包裹的液滴。所形成的液滴进入惯性聚焦流道中，在惯性升力的作用下液滴会迁移至惯性平衡点，实现聚焦的效果，同时液滴之间的间距也会增大。所生成的液滴通过去油流道令多层包裹液滴在凝胶完成后及时的脱离油相，降低油对凝胶内容物的影响最后进入液滴收集腔室，而废液则进入废液池，即完成多层包裹液滴生成的全过程。

其次，为实现干细胞液滴去油，本发明的去油通道设有三角形微结构，当液滴滚动前行时会掉落入三角形微结构的间隙中，然后继续滚动离开间隙，如此往复，迫使在油相中按流线运动的多层包裹液滴改变其所处的流线位置逐步向水相转移，并通过表面流道进入干细胞颗粒收集腔，而油则会通过内部流道进入废液池。

再次，本发明在水相中添加表面活性剂，根据表面活性剂两端极性不同的特点，在水油界面形成通道，可以辅助干细胞液滴穿过通道进入到水相中。

实施例2

本发明的干细胞颗粒生成器启动后，在试管槽中插入试管，在芯片夹具中放入多层包裹微流控芯片，在操作界面上操作使多层包裹微流控芯片与装置准确配合，配合完成后选择所需的干细胞颗粒生成模式，使装置进行预设的干细胞颗粒生成，生成结束后点击结束进程，取出多层包裹微流控芯片即可。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变，而所有的这些改变，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多层包裹微流控芯片，其特征在于，所述芯片包括样液注入口、水相鞘液注入口、第一层包裹油相物质注入口、第二层包裹水相物质注入口、第三层包裹油相物质注入口、第四层包裹水相物质注入口、去油通道、表面活性剂注入口、干细胞颗粒收集腔和废液池；其中

所述样液注入口、所述水相鞘液注入口、所述第一层包裹油相物质注入口、所述第二层包裹水相物质注入口、所述第三层包裹油相物质注入口、所述第四层包裹水相物质注入口依次分布设置于同一轴线上；

所述样液注入口的流道出口、所述水相鞘液注入口的流道出口、所述第一层包裹油相物质注入口的流道出口、所述第二层包裹水相物质注入口的流道出口、所述第三层包裹油相物质注入口的流道出口、所述第四层包裹水相物质注入口的流道出口依次分布设置于同一轴线上并形成汇集口，所述汇集口与所述表面活性剂注入口连通；

所述表面活性剂注入口的流道出口与所述干细胞颗粒收集腔连通；所述去油通道设置于所述汇集口的一侧并与其连通；

所述去油通道中设有三角形结构，所述三角形结构能够更利于所形成的干细胞液滴穿过通道进入到水相中；

所述样液注入口、所述水相鞘液注入口、所述第一层包裹油相物质注入口、所述第二层包裹水相物质注入口、所述第三层包裹油相物质注入口、所述第四层包裹水相物质注入口依次远离于所述汇集口；

所述废液池设置于所述表面活性剂注入口的流道出口与所述干细胞颗粒收集腔的入口之间；

该多层包裹微流控芯片的多层包裹液滴生成的全过程包括以下步骤：

各注入口注入对应样液后，待流速稳定时将开始形成多层包裹的液滴；

由于各个流道为共轴式设计，使最内层包裹物从中心流道出口处流出后，受到第二、三、四流道的液体从两侧进行的挤压，由于粘性力与两相间表面张力的作用下促使液体断裂，从而一步形成多层包裹的液滴；

所形成的液滴进入惯性聚焦流道中，在惯性升力的作用下液滴会迁移至惯性平衡点，实现聚焦的效果，同时液滴之间的间距也会增大；

所生成的液滴通过去油流道令多层包裹液滴在凝胶完成后及时的脱离油相，降低油对凝胶内容物的影响最后进入液滴收集腔室，而废液则进入废液池，即完成多层包裹液滴生成的全过程。

2.根据权利要求1所述的多层包裹微流控芯片，其特征在于，还包括加热装置，所述加热装置设置于所述样液注入口的流道的两侧。

3.一种具有如权利要求1所述的多层包裹微流控芯片的干细胞颗粒生成器，其特征在于，包括多层包裹微流控芯片、试管槽、芯片夹具与压力泵。

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