JP2014505594A - 液滴を分裂させるためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、Abateらによる米国仮特許出願第61/440,198号(2011年2月7日出願、名称「Systems and Methods for Splitting Droplets」)の利益を主張し、この出願は、参照することによって本明細書に援用される。
本発明の様々な局面に至る研究は、NSF助成金番号DMR−0602684、およびMRSEC助成金番号DMR−0820484によって少なくとも部分的に支援された。アメリカ政府は本発明に特定の権利を有する。
本発明は、概して、流体およびマイクロ流体に関し、特に、流体システム内における液滴の生成に関する。
(実施例1)
両面乳剤は、内側により小さな付加的液滴を含有する液滴である。その小寸法およびコアシェル構造のため、これらは、食品、化粧品、および医薬品を含む、マイクロカプセル化を要求する用途に有用である。マイクロ流体デバイスによって、両面乳剤液滴は、制御された寸法および体積分率を含む、制御された特性とともに形成されることができる。対照的に、バルク法が、活性材料の10%未満のカプセル化を達成するのに対し、液滴はまた、活性材料で効率的に充填されることができる、すなわち、一般的には、100%効率のカプセル化が達成されることができる。それでもなお、このアプローチに対する不利点が存在する。重要な実施例は、デバイスの小寸法から生じるものであって、これは、液滴が非常に低速で形成されることにつながる。両面乳剤は、一般的には、1時間あたり数ミリリットルでのみ形成され、これは、いくつかの用途では、遅過ぎ得る。
分裂はまた、両面乳化液滴の生成率を増加させるために使用されることができる。本実施例では、分裂アレイが、例えば、実施例1に論じられるように、大きな液滴製造機の終端に追加されたが、今度は、両面乳剤製造機であった。両面乳剤デバイスは、図4Bおよび図5の図の上列に示されるように、直列に接続された2つの交差チャネル接合点を含んでいた。デバイスは、本明細書に論じられるように、ソフトリソグラフィの技法を使用して、ポリ(ポリジメチルシロキサン)中で加工された。両面乳剤デバイスは、従来の液滴製造機より約5倍の速度で動作させた。実施例1のデバイスと比較して、両面乳剤デバイスの速度が遅いのは、分裂接合点の数が少ないことによるものであった。
本実施例では、分裂の動態を定量化するために、その中心軸に沿った液滴の長さが、時間の関数として測定された。それぞれ、その裏面界面から、分裂接合点における分裂の頂点まで測定された、時間の関数としての単一および両面乳剤液滴の長さ(L/w)を示す、図6Aおよび6Bを参照されたい。長さは、接合点へとつながる、チャネルの幅によって正規化された。両面乳剤の場合、外側液滴(Lout)および内側液滴(Lin)両方の長さが、提供される。実験はまた、標識されるように、異なるキャピラリー数で行われた。
これらの技法を実装時、堅調で、かつ等しく堅調な分裂を確実にするために考慮されるべき種々の要因が存在する。液滴を分割する接合点の能力は、液滴のものに対する、接合点の直径に依存し得る。すなわち、液滴が大きい場合、裂片は、下流チャネルを閉塞し、良好な分裂をもたらすことができる。これらの実験では、より堅調な分裂のために、裂片が、下流チャネルをより効果的に閉塞することを可能にするため、接合点より前の狭小狭窄が、ある場合には、これを補助することができることが分かった。分裂接合点後のチャネル長もまた、重要であり得る。長さは、液滴より数倍長いように選択されることができる。長さが短過ぎる場合、液滴による、これらのチャネルの抵抗への寄与は、有意となり、並列チャネル間にフィードバックをもたらし、不規則な液滴流動を生じさせ、それによって、分裂に干渉し得る。例えば、これは、液滴を1つのみの経路を通して移動させ、他のチャネルを空のまま残すことができる。すなわち、経路は、時として、また、電子フリップフロップと同様に、小摂動に応答して、自発的に切り替わることができる。しかしながら、これらのチャネルの長さを増加させることによって、その抵抗は、増加し、液滴による寄与を最小にし、そのようなフィードバック効果を防止し得る。
本実施例は、種々の用途に有用であり得る、比較的に単分散性の液滴の生成を図示する。本実施例では、液滴の試料のサイズ分布が決定された。前述のような単一乳剤デバイスの場合、液滴は、16の部分(24)に分裂させられ、最終平均直径約35マイクロメートルを伴う液滴を生成し、図7Aおよび7Cに示されるように、変動係数(CV)5%を伴う、狭分布であった。前述のような両面乳剤の場合、液滴は、8つの(23)等部分に分裂させられ、それぞれ、平均内径および外径約28マイクロメートルと約43マイクロメートルを伴う、最終液滴を生成し、図7Bおよび7Dに示されるように、それぞれ、狭サイズ分布、例えば、CV6%であった。
Claims (44)
- 親液滴を2つ以上の液滴に分裂させる方法であって、
該方法は、
入口マイクロ流体チャネルの中で初期速度で流動する親液滴を提供することと、
該親液滴を少なくとも第1の液滴と第2の液滴とに分裂させることと、
該第1の液滴を第1のマイクロ流体チャネルの中へ、該第2の液滴を第2のマイクロ流体チャネルの中へ付勢することであって、該第1の液滴は、該第1のマイクロ流体チャネル内を第1の速度で流動し、該第2の液滴は、該第2のマイクロ流体チャネル内を第2の速度で流動し、該第1の速度と該第2の速度とは、同一または異なるものであることができる、ことと
を含み、該初期、第1および第2の速度についての最速と最遅との間の速度の差は、該初期速度の約40%以下である、方法。 - 前記親液滴を少なくとも第1の液滴と第2の液滴とに分裂させることは、該親液滴の第1の部分を前記第1のマイクロ流体チャネルの中へ付勢し、該親液滴の第2の部分を前記第2のマイクロ流体チャネルの中へ付勢することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記速度の差は、前記初期速度の約25%以下である、請求項1または2のいずれか一項に記載の方法。
- 前記速度の差は、前記初期速度の約15%以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記速度の差は、前記初期速度の約10%以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記速度の差は、前記初期速度の約5%以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記速度の差は、前記初期速度の約1%以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記親液滴を障害物に向かって付勢することを備え、それにより、該親液滴を少なくとも前記第1の液滴と前記第2の液滴とに分裂させる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記障害物は、前記第1のマイクロ流体チャネルと前記第2のマイクロ流体チャネルとの接合点である、請求項8に記載の方法。
- 前記障害物は、2つの平面の間の角度を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記親液滴は、第2の流体の中に含有される第1の流体によって規定される、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の流体は、前記第2の流体の中において非混和性である、請求項11に記載の方法。
- 前記第1の流体は、第1の液体であり、前記第2の流体は、第2の液体である、請求項11または12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の流体は、水中において混和性である、請求項11〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記親液滴は、約100マイクロメートル未満の平均断面寸法を有する、請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法。
- 前記親液滴は、初期キャピラリー数において前記入口マイクロ流体チャネルの中を流動し、前記第1の液滴は、第1のキャピラリー数において前記第1のマイクロ流体チャネルの中を流動し、前記第2の液滴は、第2のキャピラリー数において前記第2のマイクロ流体チャネルの中を流動し、前記初期、第1のキャピラリー数および第2のキャピラリー数についての最大と最小との間のキャピラリー数の差は、該初期キャピラリー数の約20%以下である、請求項1〜15に記載の方法。
- 前記入口マイクロ流体チャネルは、ある断面積を有し、前記第1のマイクロ流体チャネルは、ある断面積を有し、前記第2のマイクロ流体チャネルは、ある断面積を有し、該入口マイクロ流体チャネルと、該第1のマイクロ流体チャネルと該第2のマイクロ流体チャネルの断面積の合計との間の断面積の差は、該入口マイクロ流体チャネルの断面積の約20%以下である、請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の液滴は、ある体積を有し、前記第2の液滴は、ある体積を有し、該第1の液滴と該第2の液滴との間の体積の差は、該第1および第2の液滴の体積のうちの大きい方の約20%以下である、請求項1〜17のいずれか一項に記載の方法。
- 前記入口マイクロ流体チャネルは、ある高さを有し、前記第1のマイクロ流体チャネルおよび前記第2のマイクロ流体チャネルの各々は、ある高さを有し、該入口マイクロ流体チャネルと、該第1および第2のマイクロ流体チャネルの高さの平均との間の高さの差は、該マイクロ流体入口チャネルの高さの約20%を上回る、請求項1〜18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記親液滴は、前記障害物に向かって前記入口マイクロ流体チャネルの中を流動する複数の親液滴のうちの1つである、請求項1〜19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の親液滴は、実質的に単分散性である、請求項20に記載の方法。
- 前記複数の親液滴は各々、複数の第1の液滴と複数の第2の液滴とに分裂させられる、請求項20または21のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の第1の液滴は、実質的に単分散性であり、前記複数の第2の液滴は、実質的に単分散性である、請求項20〜22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記入口マイクロ流体チャネルと前記第1のマイクロ流体チャネルと前記第2のマイクロ流体チャネルとは各々、実質的に同一の親水性を有する、請求項1〜23のいずれか一項に記載の方法。
- 前記親液滴は、外側流体によって囲まれた内側流体を備える、請求項1〜24のいずれか一項に記載の方法。
- 前記親液滴は、少なくとも第1の両面乳剤液滴と第2の両面乳剤液滴とに分裂させられる、請求項25に記載の方法。
- 前記第1の両面乳剤液滴と前記第2の両面乳剤液滴とは、実質的に同じである、請求項25または26のいずれか一項に記載の方法。
- 液滴を分裂させるためのマイクロ流体デバイスであって、
該デバイスは、
少なくとも2つの娘マイクロ流体チャネルとの交差点において終端する入口マイクロ流体チャネルであって、該入口マイクロ流体チャネルは、ある断面積を有し、該少なくとも2つの娘マイクロ流体チャネルは各々、ある断面積を有する、入口マイクロ流体チャネル
を備え、該入口マイクロ流体チャネルと、該少なくとも2つの娘マイクロ流体チャネルの断面積の合計との間の断面積の差は、該入口マイクロ流体チャネルの断面積の約40%以下である、デバイス。 - 前記入口マイクロ流体チャネルと、前記少なくとも2つの娘マイクロ流体チャネルの断面積の合計との間の断面積の差は、該入口マイクロ流体チャネルの断面積の約20%以下である、請求項28に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記少なくとも2つの娘マイクロ流体チャネルの各々は、少なくとも2つの孫娘マイクロ流体チャネルとの第2の交差点で終端する、請求項28または29のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記孫娘マイクロ流体チャネルの各々は、断面積を有し、前記入口マイクロ流体チャネルと、該孫娘マイクロ流体チャネルの断面積の合計との間の断面積の差は、該入口マイクロ流体チャネルの断面積の約20%以下である、請求項30に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記少なくとも2つの孫娘マイクロ流体チャネルの各々は、実質的に同一の断面積を有する、請求項30または31のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記入口マイクロ流体チャネルは、ある高さを有し、前記娘マイクロ流体チャネルの各々は、ある高さを有し、該入口マイクロ流体チャネルと、該娘マイクロ流体チャネルの高さの平均との間の高さの差は、該入口マイクロ流体チャネルの高さの約20%を上回る、請求項28〜32のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記入口マイクロ流体チャネルは、ある高さおよび幅を有し、前記娘マイクロ流体チャネルの各々は、ある高さおよび幅を有し、該入口マイクロ流体チャネルと、該娘マイクロ流体チャネルの各々との高さは、実質的に等しく、該入口マイクロ流体チャネルの幅は、該娘マイクロ流体チャネルの幅の合計に実質的に等しい、請求項28〜33のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記入口マイクロ流体チャネルと前記少なくとも2つの娘マイクロ流体チャネルとは各々、実質的に同一の親水性を有する、請求項28〜34のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
- 液滴を分裂させるためのマイクロ流体デバイスであって、
該デバイスは、
少なくとも2つの娘マイクロ流体チャネルとの交差点で終端する入口マイクロ流体チャネルであって、該入口マイクロ流体チャネルは、ある高さおよび幅を有し、該娘マイクロ流体チャネルの各々は、ある高さおよび幅を有する、入口マイクロ流体チャネル
を備え、該入口マイクロ流体チャネルと該娘マイクロ流体チャネルの各々との高さは、実質的に等しく、該入口マイクロ流体チャネルの幅は、該娘マイクロ流体チャネルの幅の合計に実質的に等しい、デバイス。 - マイクロ流体液滴を生成するためのデバイスであって、
該デバイスは、
入口チャネル内に含有される複数の親液滴を生成することが可能である液滴製造機であって、該複数の親液滴は、液滴当たり少なくとも約0.01mm3の平均体積を有する、液滴製造機と、
該入口チャネルから液滴を受容するチャネルのネットワークであって、該チャネルのネットワークは、少なくとも4世代を含み、各世代は、少なくとも2つの娘チャネルとの交差点で終端する入口チャネルを備える、チャネルのネットワークと
を含む、デバイス。 - 前記複数の親液滴の少なくとも約90%は、該複数の親液滴の平均体積と約20%以下だけ異なる体積を有する、請求項37に記載のデバイス。
- 前記チャネルのネスティングは、少なくとも5世代を含む、請求項37または38のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記チャネルのネスティングは、少なくとも6世代を含む、請求項37〜39のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記液滴製造機は、第1のチャネル、第2のチャネル、および第3のチャネルの交差点を含む、請求項37〜40のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記チャネルの世代の少なくとも一部は、マイクロ流体チャネルを含む、請求項37〜41に記載のデバイス。
- 前記複数の親液滴は、液滴当たり少なくとも約0.1mm3の平均体積を有する、請求項37〜42のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記複数の親液滴は、液滴当たり少なくとも約1mm3の平均体積を有する、請求項37〜43のいずれか一項に記載のデバイス。
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