CN115720531A - 微流体系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种微流体系统，包括至少一个第一喷嘴(10)和第二喷嘴(20)，所述第一喷嘴(10)将第一液体的至少一个液体射流(15)释放到气态气体中，所述第二喷嘴(20)将第二液体的液体膜射流(25)释放到所述气态气体中。所述第一射流(15)被引导在相互作用区域(50)处与所述液膜(25)入射。收集装置(40)用于在所述相互作用区域的下游接收所述第一和第二液体的相互作用产物(55)。提供了支撑装置(30)，其具有支撑表面(35)，该支撑表面(35)从所述第二喷嘴(20)接收并支撑所述第二液体的所述液膜(25)。所述支撑面(35)将所述液膜携带到所述相互作用区域(55)，并且所述相互作用区域(55)由所述支撑面(35)支撑。

Description

微流体系统和方法

技术领域

本发明涉及一种微流体系统，包括第一供给装置和第二供给装置，所述第一供给装置将第一液体供给到相互作用区域，所述第二供给装置将第二液体供给到所述相互作用区域，所述第一液体和所述第二液体彼此不同并且在所述相互作用区域内彼此接合，其中所述第一供给装置将所述第一液体的至少一个液体射流释放到所述相互作用区域上游的气态气体中。其中所述第二供应装置在所述相互作用区域的上游释放所述第二液体的液体流，其中收集装置设置在所述相互作用区域的下游，其中所述第二供应装置包括具有支撑表面的支撑装置，所述支撑表面至少延伸到所述相互作用区域的下游，在所述相互作用区域中所述第一液体的所述至少一个液体射流被接收在所述第二液体的所述液体流中，并且其中所述支撑表面被构造成接收和支撑由所述第二供应装置释放的所述第二液体的所述液体流，并且将所述第二液体运送至所述相互作用区域。

背景技术

应当注意的是，与本发明结合使用的表述“微流体”不仅是指微米域中的尺寸，而且还包括亚微米和毫米尺度的尺寸。此外，表述“液体”应被广泛地理解为包括纯液体以及混合物、溶液、悬浮液、乳液、泡沫、气溶胶、喷雾和甚至更复杂的均匀或不均匀的化合物液体体系。

表述“射流”既指具有基本上单一传播方向的任何间断的液体射线，也指具有基本上单一传播方向的任何不间断的液体射线。这种射流可以在具有或不具有初始动量的情况下被释放，并且可以具有或不具有沿着传播路径的调整截面。这样，射流可以包括所述液体的连续连续流或单个连续液滴的阵列。这样的液滴可以在没有任何初始速度的情况下产生和释放，该初始速度被适当的力场，特别是重力加速，朝向相互作用区域。或者，这种液滴可以被发射以具有已经相当大的初始动能，同时可选地沿着它们的轨迹被加速或减速到所述相互作用区域。因此，本发明包括滴落和喷射两种，并且除非另外明确指出，否则这些术语将在本说明书全文中可互换地使用。

在开头段落中提到的系统和方法可能特别适用于生产单分散颗粒和液滴，即具有基本上相等尺寸的颗粒和/或液滴。这些均匀的颗粒或液滴可以被加工成许多产品和市场，特别是在食品，药物和化妆品中。与多分散颗粒和液滴相比，它们可以具有更好的产品和工艺控制。在大多数产品中，使用大量的这些液滴和颗粒。单分散性允许更精确地调节所得材料的功能性质。令人惊奇的是，对用于生产这种单分散颗粒的可扩展制造系统和方法的需求日益增长。

尺寸在10μm和10mm之间的单分散颗粒的生产通常包括两个关键步骤：(1)将第一液体分散成多个离散的，即单独的液滴；以及(2)液滴的固化或其它改性，特别是通过与第二液体的原位聚合，交联，沉淀或其它相互作用。离散的液滴可以通过在(不互溶的)第二液体中乳化或通过在气态气体中雾化来形成。这些可以是具有固有高生产量的连续方法，尽管形状控制有限，因为更复杂的非球形形态似乎难以生产，因为球形形态由于降低的表面张力而在能量上是有利的。因此，乳化和雾化被认为是用于(大体积)临床和工业应用的最有希望的技术。

单分散颗粒或液滴可以通过在与第一液体不互溶的第二液体中释放的第一液体射流的受控分解来产生。受控射流破碎技术包括射流切割，振动射流和旋转盘。在这些受控的射流破碎技术中，液体射流被破碎成具有相同尺寸的基本上单分散的液滴的链。为了将这些单分散液滴转变成在第二液体中的单分散乳液或悬浮液，雾化或乳化的液滴在它们发生合并变化之前需要被稳定(在飞行中)，否则这将导致不均匀和/或多分散的产物或可能引起“相分离”。乳化的液滴可以用表面活性剂稳定。然而，由于环境限制，生物相容性和/或用户对护理和食品的喜好，表面活性剂的使用可能妨碍产品在应保持无表面活性剂的应用中的使用。

与乳化相反，通过第一液体射流在气态环境中的受控射流破碎的雾化不需要使用不互溶的液体和表面活性剂。然而，同样在这些技术中，需要相对快速的机制来稳定或固化液滴，以防止它们在飞行期间或在收集时合并。液滴固化或硬化过程(其中液滴转变成固体微粒)可以是物理相互作用或化学(交联或聚合)反应的结果。这种相互作用或(交联)反应可以通过将所述第一液体的液滴浸没在另一种第二液体中来实现，所述另一种第二液体可以包含合适的交联剂引发剂材料或可以与第一液体进入不同的物理或化学相互作用。

美国专利申请No.2002/054912公开了在用于液滴收集和稳定的容易和大批量生产方法中应用固定液浴。然而，在撞击到液浴的表面上时，液滴趋于减速，并且可能在彼此之上着陆，导致单个液滴的聚结/合并。此外，液滴可能由于对液浴的冲击而变形，可能导致不受控制的变形颗粒。这两种现象都产生不均匀的和多分散的产物。为了抵消这种在飞行中的液滴的合并，在着陆时和着陆之后，可以通过对液滴充电来使液滴排斥，例如通过施加如国际专利申请WO2010/119041中所公开的高压外部电场。然而，这种复杂的电干扰增加了工艺的复杂性以及工艺环境，而且限制了工艺的可扩展性。

或者，第二液体可以以薄的动态流动的液体膜的形式提供，用于第一液体的液滴的相互作用和稳定。连续补充的液体膜允许连续的乳液和颗粒产生，其中由于连续流动的介质，在“着陆”时的液滴变形和/或合并被最小化。例如，从欧洲专利申请EP2.020.261中可知如开头段落中所述类型的这种微流体系统。

这种已知的系统被应用于多组分颗粒的产生。它包括用于产生连续的，单独的第一液体液滴的射线的第一加压喷嘴以及释放基本上不间断的第二液体膜的第二喷嘴。所述膜在重力下落以形成基本上连续的垂直帘。引导第一喷嘴，使得各个液滴的所述光线将在相互作用区域(体积)中穿过所述幕帘，在那里它们将进入与第二液体的化学或物理相互作用。根据这种已知的方法，液滴以足够的惯性喷射通过相对薄的液膜，以防止显著的减速，并能够收集单个颗粒形式的相互作用产品，所述颗粒包括由所述第二液体的外壳围绕的所述第一液体的芯，在所述幕帘的一侧从冲击侧越过。

尽管理论上这种已知的方法可以起作用，但在实践中非常难以保持稳定的帘幕，该稳定的帘幕将以可重现和恒定的方式递送所需的化合物颗粒。基本上自由流动的液体膜在本质上看来是不稳定的，并且在边缘处倾向于卷曲和由于表面张力而破裂。因此，这种已知的系统和方法不太适合大规模连续模式生产化合物颗粒。

通过从法国专利2.378.330，美国专利5.186.948和日本专利申请JP1103165.828中已知的装置和方法提供第二液体的更稳定的薄膜。在这些情况下，第二液体的流动薄膜由衬底承载，该衬底在第一液体射流撞击的相互作用区域的位置处提供支撑表面。该相互作用的相互作用产物与第二液体流一起被所述相互作用区域下游的收集装置收集。

尽管衬底的支撑在相互作用区域为所述第二液体提供了固定且恒定的层厚度，但是所得到的微胶囊仍然很容易发生不希望的变形。

发明内容

本发明的目的尤其在于提供一种微流体系统，该微流体系统允许对两个流体相进行更好的控制，并且特别地，在所述相互作用区域提供对所述第二液体的液体膜的改进的控制。

根据本发明的第一方面，如开头段落中所述类型的微流体系统的特征在于，所述支撑装置包括提供所述支撑表面的支撑体，其中所述支撑体连接到驱动装置，所述驱动装置使所述支撑表面经受运动，并且其中所述驱动装置是可控的，从而允许将所述表面的速度调节到所述第二液体的所述流的速度和所述第一液体的所述射流的冲击速度中的至少一个。根据本发明的这一方面，由所述液体流保持的所述第二液体的连续补充片由所述支撑装置的移动支撑表面物理地支撑。支撑表面有助于第二液体片的稳定，而且能够以可调节的衬底速度可控制地将第一和第二液体彼此结合。特别地，这允许补偿和避免在所述支撑表面与所述第二液体的界面处的剪切和/或拖曳力，否则所述剪切和/或拖曳力会在第二液体膜的厚度上引起流速扰动。这为进一步缩放、调整或调整工艺打开了大门，以对组合液体系统进行各种修改。

根据本发明的第二方面，如开头段落中所述类型的微流体系统的特征在于，所述支撑装置包括在第一侧提供所述支撑表面的支撑层，所述支撑层可渗透辅助流体，特别是辅助气体，并且所述支撑层设有供给装置，所述供给装置从与所述第一侧相对的一侧穿过以所述支撑表面为特征的所述支撑层供给所述辅助流体。渗透辅助流体，特别是辅助气体，有助于进一步微调和调节两种液体在相互作用区域的相互作用环境，以控制相互作用动力学。这种气体可渗透或半可渗透支撑层的(气体)渗透性能使气体扩散或流入所述支撑表面处的支撑层并进入被支撑的液体膜，例如借助于氧气或另一反应气体来控制化学反应。

在本发明的第三方面，如开头段落中所述类型的微流体系统的特征在于，所述支撑装置包括圆柱形或球形支撑体，该支撑体在其圆柱形或球形表面处提供具有曲率的所述支撑表面。支撑装置可以包括例如鼓，圆柱体或球体，其可以优选地以可调节的旋转速度设置在旋转中。

在一个实施例中，根据本发明的微流体系统的特征在于，所述支撑装置包括具有基本平坦的主表面的支撑体，其中所述支撑体包括在所述主表面上的所述支撑面。该实施例能够在衬底主表面上形成具有重力引起的速度的液体片。但是，通过由第二供给装置施加预设的流速来产生片材，也可以将速度扩展到超过重力作用下的终端速度。这允许通过有意地匹配或不匹配薄片和冲击液滴之间的相互速度差来控制液滴/颗粒形状。该速度(差)影响冲击的第一液体射流的潜在变形和/或封装，并进而确定所得到的固化射流或颗粒的形状。同样，片材相对于第一射流的倾斜角直接影响液滴或射流在片材上的相对横向和垂直冲击速度，第二液体的厚度将确定冲击液滴是否到达支撑表面，确定它们是与衬底相互作用还是仅与自由流动的液体相互作用。该速度，角度以及所述片材厚度可以以预定方式控制。

在一个优选实施例中，根据本发明的微流体系统的特征在于，所述支撑体包括至少一个通道，该通道在所述主表面上凹入，接收所述第二液体的所述液体流，所述通道具有提供所述支撑表面的底部。这种通道可以具有升高的边缘，该升高的边缘通过防止液体从平的固体底部卷起而进一步稳定流入层流片材中的液体流，这是由于这种边缘用作液体引导。此外，边缘将液体流限制到其初始宽度，并避免液体流在支撑表面上扩散和相关的变薄。

根据本发明的微流体系统的另一个实施例的特征在于，所述支撑表面具有微轮廓或微纹理。例如，将基底脊或孔或凹陷(凹坑)与可润湿性图案相结合可以用于局部地优化第二液体流动，例如通过在支撑表面上产生孔以产生微泡层从而减小前进的液体膜上的表面的粘性阻力。

为了提高根据本发明的微流体系统的产量，另一优选实施例的特征在于，所述第一供给装置包括第一喷嘴，该第一喷嘴将所述第一液体的至少一个液体射流，特别是多个液体射流释放到所述气态气体中，引导到所述相互作用区域和/或所述第一供给装置包括多个第一喷嘴，该第一喷嘴释放所述第一液体的多个液体射流。特别地，至少基本上平行的液体射流被引导到所述相互作用区域，进入所述气态气体中。具体而言，释放第一液体的多个液体射流的这种实施例允许一个或多个平行的，会聚的或分流的(第一)液体射流与所述第二液体的衬底支撑的液体片聚结的组合。

在这方面，根据本发明的微流体系统的另一个实施例的特征在于，所述液体流包括宽度比所述至少一个液体射流的宽度的倍数宽的液体膜。在这种情况下，液体流将在所述支撑表面上流过多个喷射直径的宽度，以便能够同时接收第一和/或另一液体的多个喷射。这种设置允许通过将一种或多种材料喷射到由另一种(第二)液体材料制成的液体片中来大规模生产乳液或分散体。聚结的液体材料立即被连续流动的第二液体流沿收集装置的方向带走。

已经发现，通过根据本发明的系统获得的最终产品很大程度上受到第一液体射流相对于第二液体的流动流的相对冲击速度的影响。除了第一和第二液体的速度之外，该相对冲击速度取决于液体射流和所述第二液体的所述流之间的冲击角。为了能够调节该角度，根据本发明的微流体系统的另一个具体实施例的特征在于，所述第一供给装置是可调节的，以便以倾斜的射流角度在朝向所述支撑表面的传播方向上释放所述至少一个第一液体射流，该倾斜的射流角度可以设置在零°和75°之间，特别是在0°和60°之间。

为了使第二液体在所述支撑表面上具有稳定，均匀的流动，第二液体的流动和所述支撑表面之间的某种对准可能是有利的。为此，根据本发明的微流体系统的另一个具体实施例的特征在于，所述第二供应装置释放所述液体流以在所述支撑表面上形成液体膜。

根据本发明的微流体系统的另一个具体实施例的特征在于，所述支撑体设置有温度控制装置，该温度控制装置提供温度控制支撑表面。该实施例允许调节支撑体，特别是支撑表面的衬底温度，从而控制例如液体粘度和/或反应速度。如果衬底支撑液体的粘度被控制，则可以例如增加衬底支撑液体以防止从层流到湍流的过渡，或者可以改变衬底支撑液体以改变进入的第一射流的冲击动力学，从而改变所得相互作用产物的颗粒形状。

根据本发明的微流体系统的另一个特定实施例的特征在于，所述支撑装置包括支撑层，该支撑层提供所述支撑表面并且对辅助流体，特别是辅助气体是可渗透的，并且支撑层设有供给装置，该供给装置从横过所述支撑表面的一侧通过所述支撑层供给所述辅助流体。这种气体可渗透或半可渗透支撑层的(气体)渗透性能使气体扩散或流入所述支撑表面处的支撑层并进入被支撑的液体膜，例如借助于氧气或另一反应气体来控制化学反应。

当液体膜流过支撑表面时，支撑表面可以保持静止。或者，根据本发明的微流体系统的具体实施例的特征在于，所述支撑装置包括提供所述支撑表面的支撑体，该支撑体与驱动装置连接，该驱动装置使所述支撑表面进行运动，特别是平行于所述液膜的横向运动，更特别是往复运动，甚至更特别是旋转。该实施例允许在旋转，滑动或振动所述支撑体时设定衬底表面速度，从而影响碰撞液体射流相对于液体薄片的相对冲击速度。支撑装置可以包括圆柱形或球形支撑体，该支撑体在其圆柱形或球形表面处提供具有曲率的所述支撑表面，例如可以设置成旋转的鼓、圆柱体或球体，优选地以可调节的旋转速度旋转。

此外，可以通过适当的驱动装置来调节支撑体相对于水平面的取向，以控制支撑体的角度，并因此控制重力对液体膜的流动的影响。同样，液膜相对于冲击液体射流或液滴列的角度可以以这种方式控制。该角度以受控的方式直接影响液滴或射流在膜上的相对横向和垂直冲击速度。它们的相对速度影响冲击液体的潜在变形和包封，进而决定固化射流或颗粒的形状。

本发明还涉及一种操作根据本发明的微流体装置的方法。为此，这种方法的特征在于，所述至少一个液体射流作为包含所述第一液体的连续的，单独的液滴的至少一条射线被释放，并且所述第二液体作为所述第二液体的基本上连续的膜被释放在所述支撑表面上。

为了帮助该方法的稳定性和再现性，根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，所述第二液体的所述膜至少在与所述支撑表面的界面处以所述第二液体的基本层流一起释放。通过这种避免在所述界面处的湍流，产生了稳定的微流体体积，其中可以接收所述第一液体的液滴以与第二液体相互作用或反应。

在第一操作模式中，根据本发明的所述方法的特征在于，所述第二液体的所述膜在所述支撑表面上以受控的厚度被释放，所述受控的厚度超过所述液滴在所述相互作用区域处的穿透深度。这种模式确保了撞击的液滴在液体膜内充分减速以避免撞击衬底表面。仅与第二液体相互作用。另一方面，在第二操作模式中，该方法的特征在于，所述第二液体的所述薄膜在所述支撑表面上以低于所述液滴在所述相互作用区域处的穿透深度的受控厚度释放。在这种情况下，液滴将与支撑体的支撑表面动态相互作用，该支撑表面可以是弹性的或非弹性的，从而可以影响所得颗粒或液滴的形状和形态。

本发明能够形成具有重力引起的速度的液膜，并且还允许通过从形成膜的入口施加预定的流速而延伸到超过在重力下的最终速度的速度。根据本发明的方法的具体实施例的特征在于，所述液膜以提高的初始速度被释放，以达到超过重力终端速度的速度，特别是最初超过重力终端速度的速度。此外，可以通过匹配或不匹配第二液体的膜和冲击液体射流之间的速度差来调节这种增加的初始和最终速度，以影响所得到的液滴/颗粒形状。

第一液体可以是单一液体，但也可以包括几种液体的组合物。在这方面，根据本发明的方法的具体实施例的特征在于，所述第一液体以复合液体射流的形式释放，所述复合液体射流包括形成混合物、悬浮液、乳液或Janus型(多室化)复合液滴的至少两种不同液体的复合液滴。例如，所述复合液滴由一种液体作为核心，被作为外壳的另一种液体包围。同样，第二液体也可以作为在彼此之上的多个相互不同的液体膜的复合膜。这为通过与不同液体的连续相互作用来定制和产生颗粒或液滴创造了多种机会。

特别地，根据本发明的方法的特征在于，第一液体和第二液体包括具有不同表面张力的液体，特别地，所述第二液体具有比所述第一液体低的表面张力。在第一操作模式中，根据本发明的方法的特征在于，第一液体和第二液体至少部分地不互溶，并且在相互作用区域中或其下游由第一和第二液体形成乳液。具体地，所述乳液可以直接在所述相互作用区域中形成或进一步在下游形成，例如通过收集装置或在收集装置中形成。

在另一种操作模式中，根据本发明的方法的特征在于，第一液体和第二液体彼此进入化学反应或物理相互作用，以在相互作用区域固化成悬浮液或分散体。这种固化反应特别需要单体溶液的液体射流的聚合所述液体射流与输送聚合引发剂的第二液体接触，所述聚合引发剂具有化学性质、热性质或辐射性质，或者可以涉及交联或热固化。

作为一个具体的实施方案，本发明的方法的特征可以在于，所述第一液体包含至少一种聚合物，特别是多糖或蛋白质，其中将交联剂和/或多价金属盐的水溶液用作所述第二液体以在所述载体表面上形成所述液体膜，并且其中所述第一液体在与所述相互作用区域内的所述第二液体发生交联反应时被允许固化。

附图说明

下面将参考一个或多个示例性实施例和附图更详细地描述本发明。在附图中：

图1示出了根据本发明的微流体系统的示例的基本设置；

图2A示出了根据本发明的微流体系统的第一可选实施例中的支撑体的横截面；和

图2B示出了根据本发明的微流体系统的第二可选实施例中的支撑体的横截面；

图3示出了根据本发明的微流体系统的第三可选实施例中的支撑体的横截面；

图4示出了根据本发明的微流体系统的第四可选实施例中的支撑体；和

图5A-5C示出了使用根据本发明的微流体系统产生的样品的照片。

请注意，附图纯粹是示意性的，并未按比例绘制。特别地，为了阐明本发明的某些方面，可以将某些尺寸放大到更大或更小的程度。在整个附图中，相同的部件通常由相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1是根据本发明的微流体系统的基本设置的示意性表示。该系统包括用于释放第一液体的液体射流15的第一喷嘴10。在该实施例中，该喷嘴10被供给0.5％(w/v)藻酸钠(Wako 80-120Cp)溶液，该溶液是流速大约为2.5ml/分钟的液体。该喷嘴具有100微米的直径，并且由振动元件(如振荡器)以5kHz的频率调整，以释放所述液体射流，该液体射流呈一系列单独的连续藻酸盐液滴的液滴序列的形式，如图所示。这些液滴将具有直径约100微米的基本上球形的形状。或者，液体射流可以形成为具有恒定或规则变化的横截面的液体的连续痕迹，其通过连接到喷嘴10或集成在喷嘴10中的合适的调整装置进行调整。

如图1所示，第一喷嘴10设置有允许改变其方位的调节装置11。具体而言，发射射流15的射流角度α可以被设定为相对于将在下文中描述的衬底表面35在较低值和最大值之间的期望值，例如在30度和40度之间。喷嘴也可以悬挂成可横向移动，由适当的移动装置承载。此外，可以将几个第一喷嘴10彼此相邻地放置，以并行地执行根据本发明的相同或不同的过程，并促进该过程的放大。

该系统还包括第二喷嘴20。与第一喷嘴10不同，该第二喷嘴20不释放中断的液滴射流，而是释放连续的膜25。该膜25由不同于第一液体的第二液体形成。在这种情况下，所述第二液体25包含0.2M氯化钙水溶液，向其中加入10％(w/v)乙醇。该溶液在0.25khPa量级的入口压力下被供给到第二喷嘴20，并且以1到几毫米量级的初始膜宽度被释放。

根据本发明的一个方面，微流体提供了具有支撑表面35的支撑体30，支撑表面35接收并支撑由所述第二喷嘴20释放的膜25。支撑体30包括移动的连续带，但是也可以由可移动的玻璃基底或另一种固体材料的可移动的基底形成，例如塑料片。如图1所示，第二喷嘴20以及支撑体30设置有调节装置22，33，该调节装置22，33允许调节它们相对于水平线的相应取向b，cp。这种设置特别允许调节它们的相互角度，从而第二薄膜25在所述支撑表面35上的入射角b可以变化。设置有驱动装置(未示出)，该驱动装置使所述连续带或固体基底以速度V运动。这些驱动装置允许在第一液体射流15撞击的相互作用区域调节所述支撑表面的平面速度V。特别地，在第二液体和支撑表面之间的界面处的剪切力和拖曳力可以由此被抵消，否则这可能在第二液体膜的厚度上引起流速扰动。

所述第二液体的支撑膜25由所述支撑体30携带到收集装置40，如容器，在其中收集第二液体45，并任选地再循环回到第二喷嘴20。第一喷嘴和第二喷嘴20被悬挂，使得所述第一液体的液滴15的光线将在相互作用区域50中进入所述第二液体的所述薄膜25，同时所述薄膜25由所述支撑体30承载和支撑。支撑表面35稳定将吸收所述喷射液滴15的第二液膜25。

所述第一液体的液滴15将在所述相互作用区域50处与所述第二液体25相互作用。在该实例中，第二液体具有比所述第一液体更低的表面张力，这有助于所述液滴15的材料的封装，聚结或吸收。由于这两种液体15，25之间的表面张力的相互差异，如果第一和第二液体是相互不互溶的液体，则第一液体的液滴15被第二液体25的外壳包围以形成化合物液滴55。这些微滴55形成包含被第二液体25封装的第一液体的核心的微胶囊，以产生可以被收集装置40收集的这种微胶囊的悬浮液45。如果液体是可互溶的，则其将产生可化学或物理反应的混合物或化合物溶液。一旦所述第一液体暴露于第二液体，所述第一液体的液滴15可以例如固化成颗粒。

第一和第二液体之间的核-壳胶囊可以经受固化剂，温度或相互作用区域下游的辐射以硬化壳。

或者，可以使用例如同轴喷嘴10在空气中的微流控技术(液滴喷射聚结)将液滴15提供为核-壳液滴，以在飞行过程中在与液体薄片25碰撞之前获得核-壳化合物液滴，在液体薄片25中它们可以稳定或固化。所述第二液体25的流动膜将进一步在下游拖动液滴，在下游液滴将最终被收集装置40收集。所生产的藻酸盐胶囊在尺寸和形状上几乎相同，如图5A所示。

结果是，这种微流体系统允许在毫米到微米尺度上的稳定和可再现的物理相互作用或化学反应以递送毫米，微米或亚微米尺寸的颗粒和/或化合物液滴，其范围在几纳米到10毫米的量级之间，这允许放大到增加的，特别是工业规模。

图1示出了仅两种液体之间的相互作用。然而，本发明允许添加其它液体和/或其它流体。作为一个例子，可以平行放置多个第一喷嘴10，以释放多股第一液体射流，该第一液体射流基本上同时在各个相互作用区域50进入液膜25。但是，通过添加另外的喷嘴以释放连续或不连续的第一和另外的液体射流，也可以涉及两种以上的液体，并且在所述第二液体的膜之前，之后，之上或之下，可以将另外的液体的另外的膜释放到基底上。

除了液体之外，气体也可以结合到相互作用中。为此，可以使用衬底30作为支撑体，其具有可透过这种气体的顶层，同时向第二液体提供支撑表面。图2A和2B示出了可用于这些实施例的支撑体的示例。

在图2A中，穿孔氮化硅层37设置在具有居间氧化硅层38的单片硅衬底30上，所述氮化物层37和氧化物层38具有允许反应气体通过的多个微孔39。所述反应气体可以由适当的供给装置(未示出)通过所述顶层37，38下面的所述支撑衬底30中的空腔31供给。孔39是疏水的，使得液体膜25将在其上流动而不进入孔39，同时气体被供给到液体流25中。所述孔可以是亚微米至毫米级的，并且可以通过蚀刻或微加工技术产生。

或者，如图2B所示，多孔，特别是微孔基底30可用作支撑体。该基底30例如是具有开孔结构的合适的聚合物泡沫的泡沫体，该开孔结构允许气体通过同时疏水以阻挡第二液体的渗透。

代替具有平坦的，平坦的主表面32，支撑体30也可以构造成在主表面上具有一个或多个通道。图3示出了这样的实施例，其中沟槽或沟槽由在所述主表面32处的凹陷部分形成。所述通道的底部形成支撑表面，该支撑表面将接收并承载从第二喷嘴释放的液体膜。在这种情况下，液体膜25不仅由由这种通道的底部提供的支撑表面35来稳定，而且由两个侧壁36来限制，这进一步稳定了液体膜并避免了表面32的展开。

任选地，这些侧壁32可另外构造成具有进一步便于液体钉扎的突出部，从而用作“液相引导件”。图5B显示了以这种方式产生的收集的颗粒，其具有大约1895微米±64微米的几乎相同的单分散直径。

支撑表面可以是静止的，如在前面的例子中那样，但是也可以以一定的速度移动。特别地，支撑表面可以由环形传送带或转鼓，圆筒或球体提供。在球形表面上提供液体膜具有这样的优点，即在相互作用区域旁边不期望边界相互作用。这特别便于几个第一喷嘴的平行设置，以将第一液体的几个液体射流释放到由球形表面支撑的第二液体的公共液体膜。

图4示出了根据本发明的微流体系统的典型设置，其中第二液体的液体膜由球形支撑表面支撑。该系统包括围绕球形支撑体300的旋转轴线X以规则间隔设置的多个第一喷嘴100。代替以基本初始速度喷射第一液体，当前示例的喷嘴通过以几乎任何速度滴落液滴15来释放第一液体。第一液体以稳定的流速供给到喷嘴100，该流速允许液体由于表面张力最初粘附到喷嘴出口。稳定的流动使得这种悬挂的液滴展开，直到最后重力超过所述表面张力并且液滴15从喷嘴100脱离。在该实例中使用的喷嘴100是150微米精度的芯(Subrex)。使用这些喷嘴，在约0.2巴的恒定压力下喷射来自Wako的1％低粘度藻酸盐溶液。液滴15将加速到最终速度，在该最终速度下它们撞击球体300的表面处的相互作用区域50。

在所述相互作用区域50处，球形支撑体300承载第二液体薄片25，该第二液体薄片25已经通过第二喷嘴200喷射到其表面的顶部上。这将产生膜厚度减小的膜25，该膜围绕球形支撑表面300展开，并最终将在其底部离开支撑体300，以便由合适的收集装置400收集或进一步向下游运送。第二液体25是氯化钙溶液以产生几乎相同的藻酸盐体55，如图5C所示，其具有几乎相同的形状和尺寸为约3007微米±113微米。

尽管仅参照有限数量的示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明决不限于这些实施例。相反，在本发明的精神和范围内，更多的实施例和变化是可行的，而不需要熟练的技术人员练习任何创造性的技能。这样，在图1的例子中使用的液体可以被彼此相互作用的其它液体代替。除了由于表面张力的不同而引起的物理相互作用之外，还设想在所述相互作用区域内进行化学反应，例如在与第二液体反应时第一液滴固化成固体颗粒。而且，所给出的尺寸仅仅是一个指示，但是在实践中可以被设置为更大或更小，以用于特定的应用。

Claims (29)

1.一种微流体系统，其特征在于，包括第一供给装置和第二供给装置，所述第一供给装置将第一液体供给到相互作用区域，所述第二供给装置将第二液体供给到所述相互作用区域，所述第一液体和所述第二液体彼此不同，并且在所述相互作用区域内相互作用，其中所述第一供给装置将所述第一液体的至少一个液体射流释放到所述相互作用区域上游的气态气体中，其中所述第二供应装置在所述相互作用区域的上游释放所述第二液体的液体流，其中收集装置设置在所述相互作用区域的下游，其中所述第二供应装置包括具有支撑表面的支撑装置，所述支撑表面至少延伸到所述相互作用区域的下方，其中所述第一液体的所述至少一个液体射流被接收在所述第二液体的所述液体流中，并且其中所述支撑表面被构造成接收和支撑由所述第二供应装置释放的所述第二液体的所述液体流，并且将所述第二液体携带到所述相互作用区域，所述支撑装置包括提供所述支撑表面的支撑体，所述支撑体联接到驱动装置，所述驱动装置使所述支撑表面经受运动，并且所述驱动装置是可控的，从而允许将所述表面的速度调节到所述第二液体的所述流的速度和所述第一液体的所述射流的冲击速度中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的微流体系统，其特征在于，所述支撑表面的所述运动通过所述支撑体平行于所述液膜的横向运动来实现，更具体地通过所述支撑体的往复运动来实现。

3.根据权利要求1所述的微流体系统，其特征在于，所述支撑表面的所述运动通过所述支撑体的旋转来实现。

4.根据权利要求3所述的微流体系统，其特征在于，所述支撑体是连续带，圆柱体，锥体或球体。

5.一种微流体系统，其特征在于，包括第一供给装置和第二供给装置，所述第一供给装置将第一液体供给到相互作用区域，所述第二供给装置将第二液体供给到所述相互作用区域，所述第一液体和所述第二液体彼此不同，并且在所述相互作用区域内相互作用，其中所述第一供给装置将所述第一液体的至少一个液体射流释放到所述相互作用区域上游的气态气体中，其中所述第二供应装置在所述相互作用区域的上游释放所述第二液体的液体流，其中收集装置设置在所述相互作用区域的下游，其中所述第二供应装置包括具有支撑表面的支撑装置，所述支撑表面至少延伸到所述相互作用区域的下方，其中所述第一液体的所述至少一个液体射流被接收在所述第二液体的所述液体流中，并且其中所述支撑表面被构造成接收和支撑由所述第二供应装置释放的所述第二液体的所述液体流，并且将所述第二液体携带到所述相互作用区域，所述支撑装置包括在第一侧提供所述支撑表面的支撑层，所述支撑层可渗透辅助流体，特别是辅助气体，并且所述支撑层设置有供给装置，所述供给装置从与所述支撑表面为特征的所述第一侧相对的一侧向所述支撑层供给所述辅助流体。

6.一种微流体系统，其特征在于，包括第一供给装置和第二供给装置，所述第一供给装置将第一液体供给到相互作用区域，所述第二供给装置将第二液体供给到所述相互作用区域，所述第一液体和所述第二液体彼此不同，并且在所述相互作用区域内相互作用，其中所述第一供给装置将所述第一液体的至少一个液体射流释放到所述相互作用区域上游的气态气体中，其中所述第二供应装置在所述相互作用区域的上游释放所述第二液体的液体流，其中收集装置设置在所述相互作用区域的下游，其中所述第二供应装置包括具有支撑表面的支撑装置，所述支撑表面至少延伸到所述相互作用区域的下方，其中所述第一液体的所述至少一个液体射流被接收在所述第二液体的所述液体流中，并且其中所述支撑表面被构造成接收和支撑由所述第二供应装置释放的所述第二液体的所述液体流，并且将所述第二液体携带到所述相互作用区域，所述支撑装置包括圆柱形或球形支撑体，所述圆柱形或球形支撑体在其圆柱形或球形表面处提供具有曲率的所述支撑表面。

7.根据权利要求1或5所述的微流体系统，其特征在于，所述支撑装置包括具有基本平坦的主表面的支撑体，其中所述支撑体包括在所述主表面处的所述支撑表面。

8.根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统，其特征在于，所述支撑体包括在所述主表面处的至少一个凹形通道，所述凹形通道接收所述第二液体的所述液体流，所述通道具有提供所述支撑表面的底部。

9.根据权利要求8所述的微流体系统，其特征在于，所述通道形成在相对的侧壁或脊之间的基本上直的沟槽中，所述侧壁或脊在所述通道的任一侧上限定所述支撑表面。

10.根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统，其特征在于，所述支撑表面具有微轮廓或微纹理。

11.根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统，其特征在于，所述第一供给装置包括第一喷嘴，所述第一喷嘴将所述第一液体的至少一个液体射流，特别是多个液体射流释放到所述气态气体中，并被引导到所述相互作用区域。

12.根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统，其特征在于，所述第一供给装置包括多个第一喷嘴，所述多个第一喷嘴将所述第一液体的多个液体射流，特别是至少基本上相互平行的液体射流，释放到所述气态气体中，并被引导到所述相互作用区域。

13.根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统，其特征在于，所述第一供给装置是可调节的，以将所述至少一个第一液体射流以可设定在零°和75°之间，特别是0°和60°之间的倾斜射流角度，在朝向所述支撑表面的传播方向上释放。

14.根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统，其特征在于，所述第二供应装置释放所述液体流以在所述支撑表面上形成液体膜。

15.根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统，其特征在于，所述液体流包括宽度比所述至少一个液体射流的宽度的倍数宽的液体膜。

16.根据前述权利要求中任一项所述的微流体系统，其特征在于，所述支撑体设置有温度控制装置，所述温度控制装置提供温度控制的支撑表面。

17.根据权利要求1所述的微流体系统，其特征在于，所述支撑装置包括支撑层，所述支撑层提供所述支撑表面，并且所述支撑层对辅助流体，特别是辅助气体是可渗透的，并且所述支撑层设置有供给装置，所述供给装置从横过所述支撑表面的一侧通过所述支撑层供给所述辅助流体。

18.根据权利要求5所述的微流体系统，其特征在于，所述支撑装置包括支撑体，所述支撑体提供所述支撑表面，所述支撑体联接到驱动装置，所述驱动装置使所述支撑表面运动，特别是平行于所述液膜的横向运动，更特别地往复运动，甚至更特别地旋转。

19.根据权利要求1或5所述的微流体系统，其特征在于，所述支撑装置包括圆柱形或球形支撑体，所述圆柱形或球形支撑体在其圆柱形或球形表面处提供具有曲率的所述支撑表面。

20.一种操作根据前述权利要求中的一项或多项所述的微流体系统的方法，其特征在于，所述至少一个液体射流作为包含所述第一液体的连续的，单独的液滴的射线被释放，并且所述第二液体作为所述第二液体的基本上连续的液膜被释放在所述支撑表面上。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第二液体的所述膜至少在与所述支撑表面的界面处以所述第二液体的基本层流释放。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于，所述第二液体的所述膜在所述支撑表面上以受控的厚度被释放，所述受控的厚度超过所述相互作用区域中的所述液滴的穿透深度。

23.根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于，所述第二液体的所述膜在所述支撑表面上以受控的厚度被释放，所述支撑表面在所述相互作用区域处冲所述液滴的穿透深度。

24.根据权利要求20至23中的一项或多项所述的方法，其特征在于，所述液膜以升高的初始速度被释放，以达到超过重力终端速度的速度，特别是最初超过重力终端速度的速度。

25.根据权利要求20至24中的一项或多项所述的方法，其特征在于，所述第一液体作为复合液体射流被释放，所述复合液体射流包括至少两种不同液体的复合液滴，所述至少两种不同液体分别形成一种液体的核心，所述一种液体被另一种液体的外壳包围。

26.根据权利要求20至25中的一项或多项所述的方法，其特征在于，所述第一液体和所述第二液体包括具有不同表面张力的液体，特别是所述第二液体具有比所述第一液体低的表面张力。

27.根据权利要求20至26中的一项或多项所述的方法，其特征在于，所述第一液体和所述第二液体至少部分地不互溶，并且在所述相互作用区域中或所述相互作用区域的下游，所述第一液体和所述第二液体形成乳液。

28.根据权利要求20至26中的一项或多项所述的方法，其特征在于，所述第一液体和所述第二液体彼此进行化学反应或物理相互作用，以在所述相互作用区域固化成悬浮液或分散体。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述第一液体包括至少一种聚合物，特别是多糖或蛋白质，将交联剂和/或多价金属盐的水溶液用作所述第二液体以在所述载体表面上形成所述液膜，并且在与所述相互作用区域内的所述第二液体发生交联反应时，允许所述第一液体固化。

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