JP2008168175A - Method and device for manufacturing shelled micro-bubble - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水相中に微細な気相が分散したシェル化したマイクロバブルの製造方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for producing shelled microbubbles in which a fine gas phase is dispersed in an aqueous phase.
分散相粒子の粒径が一定となったエマルションを製造する方法(装置)が、非特許文献1及び特許文献1に提案されている。 Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 propose a method (apparatus) for producing an emulsion in which the particle size of dispersed phase particles is constant.
非特許文献1にはマイクロチャネルを用いた二色ポリマー微粒子の生成に関する内容が開示されている。この先行技術では、ガラス基板に着色モノマー(分散相)を流す流路と、この流路に両側から合流するポリビニルアルコール水溶液(連続相)を流す流路を形成し、Y字状をなす合流部にて着色モノマーをポリビニルアルコール水溶液の剪断力で微細な液滴にしている。 Non-Patent Document 1 discloses contents relating to generation of two-color polymer fine particles using a microchannel. In this prior art, a flow path for flowing a colored monomer (dispersed phase) to a glass substrate and a flow path for flowing a polyvinyl alcohol aqueous solution (continuous phase) that merges from both sides to the flow path are formed, and a merge portion that forms a Y shape The colored monomer is made into fine droplets by the shearing force of the polyvinyl alcohol aqueous solution.
特許文献1は本発明者らが提案した技術であり、基板の一面側に互いに合流するマイクロチャネルを形成し、一方のマイクロチャネルに連続相を、他方のマイクロチャネルに分散相を流し、前記連続相と分散相とが層流状態で合流した直後に、連続相と分散相の流速を急激に低下せしめることで、連続相中に分散相粒子を顕在化せしめるようにしたものである。 Patent Document 1 is a technique proposed by the present inventors, in which a microchannel that merges with each other is formed on one side of a substrate, a continuous phase is passed through one microchannel, and a dispersed phase is passed through the other microchannel. Immediately after the phase and the dispersed phase join together in a laminar flow state, the flow velocity of the continuous phase and the dispersed phase is sharply reduced to make the dispersed phase particles appear in the continuous phase.
特許文献1に開示した技術で水相中に微細な気相が分散したマイクロバブルの製造しようとすると、いきなり水相に気相を分散させることになり、短時間のうちに気相同士が結合し、長期間安定したマイクロバブル状態を維持することができない。 When trying to manufacture microbubbles in which a fine gas phase is dispersed in an aqueous phase with the technique disclosed in Patent Document 1, the gas phase is suddenly dispersed in the aqueous phase, and the gas phases are combined in a short time. However, a stable microbubble state cannot be maintained for a long time.
具体的には、造影剤のような場合に、安定かつ単分散マイクロバブルが求められているが、このことを満足できる方法及び装置が非特許文献1を含めて提案されていない。 Specifically, in the case of a contrast agent, stable and monodispersed microbubbles are required, but a method and apparatus that can satisfy this has not been proposed, including Non-Patent Document 1.
上記課題を解決するため本発明に係るシェル化したマイクロバブルの製造方法は、気相が流れるマイクロチャネルに油相が流れるマイクロチャネルを合流させて外側にオイルシェルが形成された非球形マイクロバブルを形成し、この後、前記合流点よりも下流側で前記マイクロチャネルを水相が流れるマイクロチャネルに合流させて、前記オイルシェルが形成された非球形マイクロバブルを水相中に分散させ、この後、水相の流速を急激に低下せしめることで、水相中に外側にオイルシェルが形成された球形マイクロバブル形成するようにした。
前記気相と油相と水相の流量比の好ましい範囲は、1:0.05〜0.5:2〜20である。
In order to solve the above problems, a method for producing a shelled microbubble according to the present invention includes a non-spherical microbubble in which an oil shell is formed outside by joining a microchannel through which an oil phase flows into a microchannel through which a gas phase flows. After that, the microchannel is joined to the microchannel through which the water phase flows downstream from the joining point, and the non-spherical microbubbles in which the oil shell is formed are dispersed in the water phase. Then, the flow rate of the aqueous phase was rapidly decreased to form spherical microbubbles with an oil shell formed outside in the aqueous phase.
A preferable range of the flow ratio of the gas phase, the oil phase, and the water phase is 1: 0.05 to 0.5: 2 to 20.
また、本発明に係るマイクロバブルの製造装置は、基板を備え、この基板には気相供給口、油相供給口、水相供給口および多相マイクロバブルの取出口が形成され、更に基板の一面側には前記気相供給口に一端がつながる気相流路と、前記油相供給口に一端がつながる油相流路と、前記水相供給口に一端がつながる水相流路が形成され、前記気相流路と油相流路とは合流し、この合流点によりも下流側にて前記気相流路と前記水相流路とが合流し、更に前記気相流路と前記水相流路との合流点よりも下流側の水相流路には水相の流速を急激に低下せしめる拡大流路が形成された構成とした。 The microbubble manufacturing apparatus according to the present invention includes a substrate, on which a gas phase supply port, an oil phase supply port, an aqueous phase supply port, and a multiphase microbubble outlet are formed. A gas phase flow path having one end connected to the gas phase supply port, an oil phase flow path having one end connected to the oil phase supply port, and a water phase flow path having one end connected to the water phase supply port are formed on one side. The gas phase flow path and the oil phase flow path are merged, and the gas phase flow path and the water phase flow path are merged on the downstream side of the merging point. In the water phase flow path downstream of the junction with the phase flow path, an enlarged flow path that rapidly reduces the flow velocity of the water phase is formed.
具体的な構成としては、前記気相流路と油相流路との合流流路と水相流路とが直交して合流し、この合流点よりも上流側の気相流路に油相流路が合流する構成が考えられ、夫々の合流点は近接してもよいし、離間してもよい。 As a specific configuration, the merged flow channel and the water phase flow channel of the gas phase flow channel and the oil phase flow channel are orthogonally merged, and the oil phase is added to the gas phase flow channel upstream of the merge point. A configuration in which the flow paths merge is conceivable, and each merge point may be close or separated.
本発明に係るエマルションの作製方法によれば、気相を微細なマイクロバブルとして水相中に長期間安定して維持することができる。したがって、造影剤、機能性成分、薬物、遺伝子の送達システムなどとしての有効利用が考えられる。 According to the method for producing an emulsion according to the present invention, the gas phase can be stably maintained for a long time in the aqueous phase as fine microbubbles. Therefore, it can be effectively used as a contrast agent, a functional component, a drug, a gene delivery system, and the like.
また本発明によれば、各相の供給流量比を変えることにより、精密且つ柔軟なコア・シェルの構造制御、例えばコア(気相)の容積やシェル(油層または高分子膜)の厚みを自由にコントロールすることが可能になり、薬物や遺伝子などの送達システムに極めて有効である。 Further, according to the present invention, precise and flexible structure control of the core and shell, for example, the volume of the core (gas phase) and the thickness of the shell (oil layer or polymer film) can be freely changed by changing the supply flow rate ratio of each phase. Therefore, it is extremely effective for delivery systems such as drugs and genes.
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図1は本発明に係るシェル化したマイクロバブルの作製に用いる装置の断面図、図2は同装置に組み込まれた基板の表面を示す図、図3は気相からシェル化したマイクロバブルに至る過程を説明した図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an apparatus used for producing a shelled microbubble according to the present invention, FIG. 2 is a view showing a surface of a substrate incorporated in the apparatus, and FIG. It is a figure explaining the process.
マイクロバブル製造装置はケース1内に下から順に、透明板2、基板3、O−リング4、ジョイントプレート5を重ね、透明板2の下方にはシェル化したマイクロバブルの生成状況を観察するCCDカメラ6を配置している。
The microbubble manufacturing apparatus stacks a
前記ジョイントプレート5には気相供給孔7、油相供給孔8、水相供給孔9、シェル化したマイクロバブル取出孔10が形成され、気相供給孔7には気相供給源11が、油相供給孔8には油相供給源12が、水相供給孔9には水相源13が、シェル化したマイクロバブル取出孔10には回収容器14がそれぞれ接続されている。
The
前記基板3は例えばシリコン基板からなり、このシリコン基板を集積回路形成技術(エッチングなど)を応用して流路を形成している。具体的には、前記気相供給孔7と重なる位置に形成される気相供給口31、前記油相供給孔8と重なる位置に形成される油相供給口32、前記水相供給孔9と重なる位置に形成される水相供給口33、前記シェル化したマイクロバブル取出孔10と重なる位置に形成されるシェル化したマイクロバブル取出口34を備え、前記気相供給口31からは幅が約100μm、深さが約5μmの気相流路35が下流側に向って形成され、また前記油相供給口32からは同じく幅が約100μm、深さが約5μmの油相流路36が下流側に向って形成されている。
The
油相流路36は気相流路35の両側に設けられ、気相流路35に対して90°以下の角度で斜めに合流している。油相が合流した気相流路は更に延びて水相流路37に合流している。この水相流路37の一端は水相供給口33につながり、他端はシェル化したマイクロバブル取出口34につながっている。この水相流路37も前記同様幅は約100μm、深さは約5μmとしている。
The oil
前記気相流路35及び油相流路36の合流点よりも上流側部分35a、36aについては流路幅を約50μmに絞って流速を上げ、水相流路37の合流点よりも上流側部分37aについても流路幅を約50μmに絞って流速を上げている。
The
また、水相流路37の下流側部分には流速を低下せしめるプール38が形成されている。図示例ではプール38の幅を水相流路37の上流側部分と同じにしているが、プール38の幅を更に大きくすることで、流速を急激に低下せしめるようにしてもよい。
In addition, a
以上において、気相流路35と油相流路36との合流点において、気相が分散相で油相が連続相となったG/Oエマルションが形成される。分散相は外側にオイルシェルが形成されるが、流速が早いため糸状に延びた非球形粒子となっている。
As described above, the G / O emulsion in which the gas phase is the dispersed phase and the oil phase is the continuous phase is formed at the junction of the
前記糸状に延びた気相は水相流路37との合流点において、水相の流れによる剪断力を受けて小さく分断され、オイルシェルにて外周が被覆された気相が分散相で水相が連続相となったG/O/Wエマルションが形成される。この場合でもオイルシェルにて外周が被覆された気相は水相の流れが早いため非球形粒子となっている。
The gas phase extending in the form of a thread is divided into small portions by a shearing force due to the flow of the water phase at the junction with the water
この後、水相流路37を流れる非球形粒子(分散相)はプール38に至り、ここで急速に速度が低下するため、球形粒子となり、目的とするシェル化したマイクロバブルが得られる。
Thereafter, the non-spherical particles (dispersed phase) flowing through the water
(実施例)
図1乃至図3に示した構成からなるシェル化したマイクロバブル製造装置を用い、気相を空気や窒素ガス、油相を界面活性剤入りの大豆油やテトラデカンなど、水相を異なる濃度のSDS水溶液とし、気相と油相と水相の流量比が、1:0.05〜0.5:2〜20となる条件でマイクロバブルの作製を試みた。
(Example)
Using the shelled microbubble production system with the configuration shown in FIGS. 1 to 3, the water phase is different concentrations of SDS, such as air or nitrogen gas in the gas phase, soybean oil or tetradecane containing the surfactant in the oil phase. Preparation of microbubbles was attempted under the condition that the aqueous solution was used and the flow ratio of the gas phase, the oil phase, and the water phase was 1: 0.05 to 0.5: 2 to 20.
図4は上記実施例においてシェル化したマイクロバブルが作製されている様子を示す写真であり、極めて均一な単分散シェル化したマイクロバブルが得られていることが観察される。 FIG. 4 is a photograph showing how shelled microbubbles are produced in the above example, and it is observed that very uniform monodisperse shelled microbubbles are obtained.
図5は別の例でシェル化したマイクロバブルが作製されている様子を示す写真であり、この実施例では、気相流路35と油相流路36との合流点の直ぐ下流側に水相流路37との合流点を設けている。この別実施例でも極めて均一な単分散シェル化したマイクロバブルが得られていることが観察される。
FIG. 5 is a photograph showing how a microbubble formed into a shell is produced in another example. In this embodiment, water is placed immediately downstream of the confluence of the
本発明に係るシェル化したマイクロバブルの製造方法および製造装置は、食品工業、医薬或いは化粧品製造等に利用されるだけでなく、クロマトグラフィー担体、重合トナー、顔料、導電性スペーサー、メタリック塗料、環境浄化用微粒子、難燃剤、触媒、蓄熱剤、抗菌剤、フェロモン、食用油、生理活性物質、酵素、アルミフレーク、マイカ、肥料等を内部に充填した生分解性マイクロカプセル、薬品のカプセル化、電気泳動ディスプレイ等への応用が考えられる。 The method and apparatus for producing shelled microbubbles according to the present invention are not only used in the food industry, medicine or cosmetics production, but also chromatographic carrier, polymerized toner, pigment, conductive spacer, metallic paint, environment Biodegradable microcapsules filled with fine particles for purification, flame retardants, catalysts, heat storage agents, antibacterial agents, pheromones, edible oils, bioactive substances, enzymes, aluminum flakes, mica, fertilizers, etc. Application to electrophoretic displays is conceivable.
1…ケース、2…透明板、3…基板、4…O−リング、5…ジョイントプレート、6…CCD、7…気相供給孔、8…油相供給孔、9…水相供給孔、10…多相マイクロバブル取出孔、11…気相供給源、12…油相供給源、13…水相源、14…回収容器、31…気相供給口、32…油相供給口、33…水相供給口、34…マイクロバブル取出口、35…気相流路、36…油相流路、37…水相流路、35a、36a、37a…流路の絞られた部分、38…プール。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Case, 2 ... Transparent board, 3 ... Board | substrate, 4 ... O-ring, 5 ... Joint plate, 6 ... CCD, 7 ... Gas-phase supply hole, 8 ... Oil-phase supply hole, 9 ... Water-phase supply hole, 10 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Multiphase micro bubble extraction hole, 11 ... Gas phase supply source, 12 ... Oil phase supply source, 13 ... Water phase source, 14 ... Recovery container, 31 ... Gas phase supply port, 32 ... Oil phase supply port, 33 ... Water Phase supply port, 34... Micro bubble outlet, 35... Gas phase channel, 36. Oil phase channel, 37. Water phase channel, 35 a, 36 a, 37 a.
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