CN217341292U

CN217341292U - 一种大规模生成均一水凝胶微球的装置

Info

Publication number: CN217341292U
Application number: CN202220798428.5U
Authority: CN
Inventors: 宋汝渊; 许潇楠
Original assignee: Zhejiang Dapu Biotechnology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Dapu Biotechnology Co ltd
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2032-04-07

Abstract

本实用新型提供一种大规模生成均一水凝胶微球的装置，包括芯片、原料上样模块、气路模块、微球收集模块和紫外处理模块，芯片上设有多套液滴生成器，可以实现高通量制备液滴，经紫外处理模块光固化成凝胶微球，并在微球收集模块上设置流量检测反馈装置，实时检测流量，一旦发现流量异常，通过截流阀立即停止该套液滴生成器的流量，从而避免流量异常后导致凝胶微球尺寸的不一致，实现大规模高通量生成大小高度均一的水凝胶微球。

Description

一种大规模生成均一水凝胶微球的装置

技术领域

本实用新型涉及微流控制领域，具体而言，涉及一种制备水凝胶微球的装置，尤其涉及一种大规模生成均一水凝胶微球的装置。

背景技术

水凝胶微球是由亲水的三维交联高分子网络和介质(水)共同组成的高分子聚集体，在药物释放、细胞培养、微反应器、分子检测、细胞标记等领域具有广阔的应用前景。一方面，水凝胶微球内部具有多孔网状结构，除微球表面外，内部也可以提供丰富的结合位点，极大地提高携带率。另一方面，水凝胶具备一定弹性，保持一定的弹性。特别是，在高通量单细胞测序应用，编码微球需要和细胞一一配对才能形成有效液滴(含一个细胞和一个水凝胶微球)。水凝胶微球的大小需要和微流体尺寸紧密配合，尺度过大和过小都会造成水凝胶微球的流速波动。从而造成下游生成的液滴没有水凝胶或者含多个水凝胶微球，一般要求大小的CV至少5％以下。

常规的水溶胶生成工艺无法生成大小高度均一的水凝胶微球，比如机械搅拌等传统方法，制备乳液，大小不均一。而且传统方法普遍采用加热固化，液滴在加热过程中可能会融合，也会造成固化的水凝胶微球不均匀。

微流控液滴生成芯片可以制备高度均一的液滴，但是现有的微流控芯片生产凝胶微球的生产速率过低，每天仅能生成数十毫升的微球(900μL/h)，不适合工业化生产。因此急需找到一种能大规模高通量生成大小高度均一的水凝胶微球的方法。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种大规模生成均一水凝胶微球的装置，包括芯片、原料上样模块、气路模块、微球收集模块和紫外处理模块，芯片上设有多套液滴生成器，可以实现高通量制备液滴，经紫外处理模块光固化成凝胶微球，并在微球收集模块上设置流量检测反馈装置，实时检测流量，一旦发现流量异常，通过截流阀立即停止该套液滴生成器的流量，从而避免流量异常后导致凝胶微球尺寸的不一致，实现高通量生成大小高度均一的水凝胶微球。

为了实现微流控液滴生成芯片能够大规模生产凝胶微球，本实用新型设计了同时包括多套液滴生成器的芯片，可以进行高通量生产水凝胶微球。但在芯片中，流道的宽窄，以及流速的大小，都会直接影响到制备的水凝胶微球的尺寸大小，如果一旦某一个流道出现堵塞，就会严重影响该流道制备的水凝胶微球的尺寸大小，此时生产的尺寸不一致的水凝胶微球一旦混入其他微球当中，势必影响所有水凝胶微球的均一性，即使只有一颗混入，也会影响整批凝胶微球的质量，导致微流控液滴生成芯片高通量生产水凝胶微球时，无法保证水凝胶微球的大小高度均一。

本实用新型提供的水凝胶微球制备装置采用包括多套液滴生成器的芯片，经气压驱动，流量监测反馈装置及时反馈异常流量，及时截流从而阻止异常凝胶微球的生成，能够实现多组(8-16组)高通量液滴生成单元并行稳定工作，提高通量8-16倍。

一方面，本发明提供了一种大规模生成均一水凝胶微球的装置，所述装置包括芯片、原料上样模块、气路模块和微球收集模块；

所述芯片上设有一套以上的液滴生成器；

所述原料上样模块提供微球制备原料；

所述气路模块为输送原料上样模块中的原料进入液滴生成器提供的气压；

所述微球收集模块上设有微球收集管道，用于收集制得的微球，微球收集管道设有流量检测反馈装置。

进一步地，所述流量检测反馈装置包括流量检测装置、截流阀和远程计算机控制系统。

所述流量检测装置用于向远程计算机控制系统实时反馈流道内流体的流量，发现流量异常时，远程计算机控制系统能立即关闭截流阀。

进一步地，还包括紫外处理模块，所述紫外处理模块位于微球收集管道上方，用于对生成的液滴进行紫外照射，使液滴光固化成凝胶微球。

现有技术在制备凝胶微球时，普遍采用加热固化，液滴在加热过程中可能会融合，造成固化的水凝胶微球不均匀，无法保证大小高度均一，本实用新型采用UV固化方法，液滴生成后的导管里，UV光照，在1min左右完成固化，形成水凝胶微球，有效保持前体液滴的大小均一性。

进一步地，所述原料上样模块包括与原料流体种类数量一致的原料上样柱，每根原料上样柱内装有一种原料流体。

在一些方式中，所述原料上样柱共有三根，分别用于储存和输送三种原料样品，如采用前体溶液A、B，以及液滴生成油来制备液滴。

在一些方式中，所述原料上样柱共有两根，分别用于储存和输送三种原料样品，如采用前体溶液和液滴生成油来制备液滴。

进一步地，所述芯片上设有对应每一种原料流体的总输入通道；每根原料上样柱分别向芯片上的每种原料流体的总输入通道输送原料流体。

进一步地，所述芯片上的每套液滴生成器都设有每种原料流体的分输入通道，以及一条液滴输出通道；芯片上的每种原料流体的总输入通道与每套液滴生成器的每种原料流体的分输入通道相连，使每种原料流体顺利流入每套液滴生成器；所述液滴输出通道与微球收集管道相连。

进一步地，所述微球收集管道的数量与液滴生成器的数量一致，每根微球收集管道分别与每套液滴生成器的液滴输出通道相连。

在一些方式中，芯片上设有2-16套液滴生成器。

进一步地，所述每根微球收集管道上都设有一个流量检测装置和一个截流阀。

每根微球收集管道上的流量检测装置在发现流量异常时，能通过远程计算机控制系统立即关闭该微球收集管道上的截流阀。

当流量检测装置检测到某一套液滴生成器生成的液滴流量异常，会立即反馈到远程计算机控制系统，通过截流阀关闭这一套液滴生成器的流量，从而防止尺寸大小不一致的凝胶微球混入正常大小的凝胶微球中；同时，其他剩余的液滴生成器继续正常工作，不断生成液滴。

进一步地，所述气路模块设有与原料上样柱数量一致的气压调节阀，分别向每根原料上样柱中的流体输入通道输送气压。

在一些方式中，原料上样柱共有三根，因此设有三个气压调节阀。

在一些方式中，原料上样柱共有两根，因此设有两个气压调节阀。

进一步地，所述微球收集模块包括微球收集管道和微球收集试管，每根微球收集管道与一个微球收集试管相连，用于收集对应的一套液滴生成器生成并光固化得到的凝胶微球。

在一些方式中，所述芯片设有七套液滴生成器；所述微球收集模块包括七根微球收集管道和七个微球收集试管。

本实用新型提供的大规模生成均一水凝胶微球的装置，具有如下的有益效果：

1、能大规模高通量生成大小高度均一的水凝胶微球；

2、通过紫外固化，提高水凝胶微球尺寸大小的一致性；

3、通过设置流量反馈装置，及时反馈异常流量，并通过截流阀关闭流量，从而防止尺寸大小不一致的凝胶微球混入正常大小的凝胶微球中，进一步提高水凝胶微球尺寸大小的一致性；

4、结构简单、便捷高效、成本低，易于推广。

附图说明

图1为实施例1中的高通量水凝胶微球制备装置的示意图；

图2为实施例1中的芯片结构示意图；

图3为实施例4中的不同固化方法制备的水凝胶微球的显微镜照片，其中图A为紫外固化，图B为加热固化。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施例作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。本实用新型具体实施例中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得。

实施例1本实用新型提供的高通量水凝胶微球制备装置

本实施例提供的高通量水凝胶微球制备装置的示意图如图1所示，包括芯片1、原料上样模块2、气路模块3、微球收集模块4和紫外处理模块5。芯片1上设有一套以上的液滴生成器6；原料上样模块2提供微球制备原料；气路模块3为输送原料上样模块2中的原料进入液滴生成器6提供的气压。微球收集模块4包括微球收集管道7和微球收集试管16，每根微球收集管道与一个微球收集试管相连，用于收集对应的一套液滴生成器生成并光固化得到的凝胶微球。其中，微球收集管道7设有流量检测反馈装置8。紫外处理模块5位于微球收集管道7上方，用于对生成的液滴进行紫外照射，使液滴光固化成凝胶微球，通过采用UV 固化方法，液滴生成后的导管里，UV光照，在1min左右完成固化，形成水凝胶微球，有效保持前体液滴的大小均一性。

优选的，流量检测反馈装置8包括流量检测装置9、截流阀10和远程计算机控制系统；流量检测装置9用于向远程计算机控制系统实时反馈流道内流体的流量，发现流量异常时，远程计算机控制系统能立即关闭截流阀10。

优选的，原料上样模块2包括与原料流体种类数量一致的原料上样柱11，每根原料上样柱内装有一种原料流体。在本实施例中，原料上样柱共有三根，分别用于储存和输送三种原料样品，如采用前体溶液A、B，以及液滴生成油来制备液滴。

如图2，芯片1上设有对应每一种原料流体的总输入通道12；每根原料上样柱11分别向芯片上的每种原料流体的总输入通道输12送原料流体。芯片1上的每套液滴生成器6都设有每种原料流体的分输入通道13，以及一条液滴输出通道14；芯片1上的每种原料流体的总输入通道12与每套液滴生成器6的每种原料流体的分输入通道13相连，使每种原料流体顺利流入每套液滴生成器6；液滴输出通道14与微球收集管道7相连。微球收集管道7和微球收集试管16的数量与液滴生成器6的数量一致，每根微球收集管道7分别与每套液滴生成器6的液滴输出通道14相连。本实施例中，芯片上共设有七套液滴生成器6，七根微球收集管道7分别与七套液滴生成器6的液滴输出通道14相连。每根微球收集管道7上都设有一个流量检测装置9和一个截流阀10，每根微球收集管道7上的流量检测装置9在发现流量异常时，能通过远程计算机控制系统立即关闭该微球收集管道7上的截流阀10，从而关闭这一套液滴生成器6的流量，防止尺寸大小不一致的凝胶微球混入正常大小的凝胶微球中，影响正常凝胶微球的质量；同时，其他剩余的液滴生成器6继续正常工作，继续不断高通量生成液滴。

气路模块3设有与原料上样柱11数量一致的气压调节阀15，经气源17输出的气压，经气压调节阀15调节后，分别向每根原料上样柱11中的流体输入通道输送气压。本实施中原料上样柱11共有三根，因此设有三个气压调节阀15。

实施例2

本实施例采用实施例1提供的高通量水凝胶微球制备装置进行凝胶微球的制备。分别配制50ml的前体溶液A和前提溶液B，前体溶液A由12wt/v％聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(Mw:～380,Sigma)和0.2wt/v％苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂。前提溶液B为1.8wt％聚(乙二醇)二丙烯酸酯(Mw:～700,Sigma)、20μM引物的水溶液(Seq ID: 5'Acydite-AATGATACGGCGACCACCGA3')组成。配制300ml液滴生成油(2w/w％FS10, 达普生物)。前体溶液A的驱动压力为10psi，前体溶液B的驱动压力为10psi，液滴生成油的驱动压力为15psi，UV功率100mW。

实施例3

本实施例采用实施例1提供的高通量水凝胶微球制备装置进行凝胶微球的制备。配制前体溶液A、B各5mL。前体溶液A为12w/v％聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(Mw:～380,Sigma)、和0.8w/v％过硫酸铵(Sigma)。前体溶液B为1.8wt％聚(乙二醇)二丙烯酸酯(Mw:～700,Sigma)、20M引物的水溶液(Seq ID:5'Acydite-AATGATACGGCGACCACCGA3')和0.8 w/v％四甲基乙二胺(Sigma)。配制液滴生成油(2w/w％FS10,达普生物)10ml。分别加入到注射器中，使用液滴生成芯片制备液滴。调节A、B、液滴生成油的注射泵注入流速为300μL/h、300μL/h和1000μL/h，生成的液滴收集到预先加入200μL液滴生成油的2mL 离心管，每40min更换收集管，并做好标记。置于60℃烘箱孵育过夜。隔天对胶联固化的液滴，即水凝胶微球进行洗涤、质控。

实施例4不同固化方式对制备水凝胶微球的影响

本实施例采用实施例1提供的高通量水凝胶微球制备装置进行凝胶微球的制备，其中固化方式分别采用紫外固化和加热固化(加热温度为60℃)，制得的凝胶微球分别通过显微镜拍摄照片，如图3所示。通过Image J测量水凝胶微球的大小并统计大小分布。结果如表1所示。

表1、不同固化方式对制备水凝胶微球的影响

固化方式	粒径(微米)	CV/％	均匀度
				紫外固化	55	3.2	大小高度均一
加热固化	58	11	大小不均一

由图3所示，采用加热固化的水凝胶微球，会出现一个以上的微球交联在一起的情况。表明液滴在加热固化的时候发生融合。对比来开看，采用UV固化的水凝胶微球形态为标准球状不存在微球之间交联的情况。由表1和图3可以清楚地看出，采用加热固化方式制备的水凝胶微球，大小不够均一，粒径差别较大；而采用紫外固化制备的水凝胶微球，大小高度均一，粒径统一，CV％值小于5％，完全满足单细胞测序等方面的应用。

实施例5流量反馈装置对制备水凝胶微球的影响

本实施例采用实施例1提供的高通量水凝胶微球制备装置进行凝胶微球的制备，其中采用两组进行实验，一组需要流量反馈装置正常工作，另一组暂停流量反馈装置的工作，连续工作72h，制得的凝胶微球分别通过显微镜拍摄照片并通过Image J测量水凝胶微球的大小并统计大小分布。结果如表2所示。

表2、流量反馈装置对制备水凝胶微球的影响

流量反馈装置	粒径(微米)	CV/％	均匀度
				正常工作	55	4.2	大小高度均一
暂停	62	15.3	大小不均一

由表2可见，当流量反馈装置正常工作，经72h长时间连续生产，仍然能获得大小高度均一的水凝胶微球，而流量反馈装置暂停工作后，制备的凝胶微球中会掺杂有很多大小不均一的凝胶微球，难以满足需要。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。如根据其微流控领域的应用范围均可做扩展。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种大规模生成均一水凝胶微球的装置，其特征在于，包括芯片、原料上样模块、气路模块和微球收集模块；

所述芯片上设有一套以上的液滴生成器；

所述原料上样模块提供微球制备原料；

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括紫外处理模块，所述紫外处理模块位于微球收集管道上方，用于对生成的液滴进行紫外照射，使液滴光固化成凝胶微球。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述原料上样模块包括与原料流体种类数量一致的原料上样柱，每根原料上样柱内装有一种原料流体。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述芯片上设有对应每一种原料流体的总输入通道；每根原料上样柱分别向芯片上的每种原料流体的总输入通道输送原料流体。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述芯片上的每套液滴生成器都设有每种原料流体的分输入通道，以及一条液滴输出通道；芯片上的每种原料流体的总输入通道与每套液滴生成器的每种原料流体的分输入通道相连，使每种原料流体顺利流入每套液滴生成器；所述液滴输出通道与微球收集管道相连。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述微球收集管道的数量与液滴生成器的数量一致，每根微球收集管道分别与每套液滴生成器的液滴输出通道相连。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述气路模块设有与原料上样柱数量一致的气压调节阀，分别向每根原料上样柱中的流体输入通道输送气压。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述微球收集模块包括微球收集管道和微球收集试管，每根微球收集管道与一个微球收集试管相连，用于收集对应的一套液滴生成器生成并光固化得到的凝胶微球。