JP2016005837A - マイクロ流体デバイスのスケールアップ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の様々な局面に至る研究は、少なくとも部分的に、国立科学基金による補助金番号DMR−0213805の支援を受けた。米国政府は、本発明に権利を有する。
本願は、Romanowskyらによる米国仮特許出願第61/160,184号(名称「Scale−up of Microfluidic Devices」、2009年3月13日出願)およびRomanowskyらによる米国仮特許出願第61/223,627号(名称「Scale−up of Microfluidic Devices」、2009年7月7日出願)の利益を主張し、これらの両出願は、本明細書に参考として援用される。
本発明は、概して、流動集束型技術に関し、マイクロ流体工学にも関し、より具体的には、分散剤内の分散相ならびに多相流体系の中の分散相のサイズおよびサイズ分布を制御するように配設されるマイクロ流体システムと、複数のかかるデバイスへの流体成分の送達のためのシステムとの並行使用に関する。
(実施例1)
本実施例は、並列液滴形成システムの製造を説明する。
本実施例は、並列マイクロ流体デバイスのチャネル寸法の計算を説明する。
ここで、「R」は、長方形マイクロチャネルの中の抵抗であり、「μ」は、流体粘度であり、「L」は、チャネルの長さであり、「w」は、チャネルの幅であり、「h」は、チャネルの高さである。チャネルの長さが4000μm、幅が50μm、高さが25μmのT字接合は、粘度がμ=1mPa*sであると仮定して、約100kPa*s/μLの抵抗を有する。第1代分配チャネルが150μmの高さ、1500μmの幅を有し、隣接するデバイス間の距離が10,000μmである場合、セグメント毎の抵抗は、Rc1=0.2kPa*s/μLである。これは、1%の精度レベルで、5つのデバイス間で等しい流動分割を提供する。第2代分配チャネルに対して、高さを250μmまで増大し、他の寸法を同じに保持することによって、Rc2=0.04kPa*s/μLを得、それは同様に、1%のレベルにおいて等しい流動分割を提供する。
本実施例は、二重乳剤形成の並列化を説明する。
Claims (78)
- 対象流体をチャネルの入口の中に導入することと、
該入口に各々流体的に接続されている複数のマイクロ流体出口から、該対象流体の分離した部分を放出すると同時に、少なくとも部分的に分散流体によって該対象流体の該分離した部分のうちの少なくとも1つを包囲することと
を含む、方法。 - 前記分散流体に、前記対象流体の不連続区画を作成させることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記対象流体を前記分散流体の2つの分離した流れに曝露させ、該2つの分離した流れが結合すること、および該対象流体の流れを完全に円周方向に包囲することを可能にすることを含む、請求項2に記載の方法。
- 上流部分と、出口に接続する下流部分とを有するマイクロ流体相互接続領域を提供することと、
該出口の上流の該相互接続領域の中において、前記対象流体の不連続区画を作成することであって、該不連続区画のうちの少なくともいくつかは、20ミクロン未満の最大寸法を有する、ことと
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記相互接続領域は、取り囲まれた断面を有する、請求項4に記載の方法。
- 前記相互接続領域は、1ミリメートル未満の最大断面寸法を有する、請求項4に記載の方法。
- 前記相互接続領域は、200ミクロン未満の最大断面寸法を有する、請求項4に記載の方法。
- 前記相互接続領域は、50ミクロン未満の最大断面寸法を有する、請求項4に記載の方法。
- 前記相互接続領域は、25ミクロン未満の最大断面寸法を有する、請求項4に記載の方法。
- 前記対象流体および前記分散流体の両方は、前記相互接続領域の外部境界内にある、請求項4に記載の方法。
- 前記相互接続領域は、前記不連続区画の形成を補助する、寸法的に制限された区画を含有する、請求項4に記載の方法。
- 前記分散流体および対象流体が前記寸法的に制限された区画を通過することを可能にすることを含み、該対象流体は、該寸法的に制限された区画を画定する壁に接触しない、請求項11に記載の方法。
- 前記対象流体を、対象流体チャネルから前記相互接続領域内の分散流体の中に導入することを含む、請求項4に記載の方法。
- 前記対象流体は、液体を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記対象流体は、ガスを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記対象流体チャネルは、前記相互接続領域によって少なくとも部分的に包囲される、請求項12に記載の方法。
- 前記相互接続領域は、前記対象流体チャネルを部分的に包囲し、および該対象流体チャネルの出口において相互接続する少なくとも2つの区画を有する上流部分を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記相互接続領域の前記上流部分と前記下流部分との間で圧力差を作成することと、該上流部分と前記出口との間に分散流体を導入することと、少なくとも部分的に圧力差を介して前記対象流体の前記不連続区画を形成することとを含む、請求項4に記載の方法。
- 少なくとも部分的に前記相互接続領域の前記上流部分と前記出口との間の寸法的に制限された区画を介して、前記圧力差を作成することを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記寸法的に制限された区画を通して前記対象流体および前記分散流体を流動させることを含む、請求項19に記載の方法。
- 前記分散流体および対象流体の各々は、流量を有し、該対象流体の該分散流体に対する該流量の比は1:5未満である、請求項20に記載の方法。
- 前記比は、1:25未満である、請求項21に記載の方法。
- 前記比は、1:100未満である、請求項21に記載の方法。
- 前記比は、1:400未満である、請求項21に記載の方法。
- 前記対象流体チャネルは、前記寸法的に制限された区画の上流の前記相互接続領域において終端する出口を有する、請求項21に記載の方法。
- 前記対象流体チャネルは、前記寸法的に制限された区画を通過する軸を有する、請求項25に記載の方法。
- 前記相互接続領域の前記下流部分は、中心軸を有し、前記対象流体は、該相互接続領域の該下流部分の該中心軸と整列している中心軸を有する対象流体チャネルから、該相互接続領域に導入される、請求項4に記載の方法。
- 前記分散流体は、6×10−5〜1×10−2ミリリットル/秒の間の流量を有する、請求項2に記載の方法。
- 前記分散流体は、1×10−4〜1×10−3ミリリットル/秒の間の流量を有する、請求項2に記載の方法。
- 対象流体の分散流体に対する流量の前記比は、1:5未満である、請求項29に記載の方法。
- 対象流体の分散流体に対する流量の前記比は、1:100未満である、請求項29に記載の方法。
- 対象流体の分散流体に対する流量の前記比は、1:400未満である、請求項29に記載の方法。
- 前記分散流体内に単分散の不連続対象流体区画を作成することを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記分散流体内に単分散の対象流体液滴を作成することを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記分散流体に多分散の不連続対象流体区画を作成することを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記不連続区画は、各々、最大寸法を有し、最も大きい該最大寸法を有する該区画の最も小さい該最大寸法を有する該区画に対するサイズ比は、少なくとも10:1である、請求項35に記載の方法。
- 前記比は、少なくとも25:1である、請求項36に記載の方法。
- 前記比は、少なくとも100:1である、請求項36に記載の方法。
- 前記不連続区画のうちの少なくともいくつかは、50ミクロン未満の最大断面寸法を有する、請求項35に記載の方法。
- 前記不連続区画のうちの少なくともいくつかは、10ミクロン未満の最大断面寸法を有する、請求項35に記載の方法。
- 前記不連続区画のうちの少なくともいくつかは、1ミクロン未満の最大断面寸法を有する、請求項35に記載の方法。
- 前記対象流体と前記分散流体との間に中間流体を導入すること、および該対象流体の不連続区画を作成することをさらに含み、各区画は、中間流体のシェルによって包囲される、請求項2に記載の方法。
- 前記シェルを硬化することをさらに含む、請求項42に記載の方法。
- 前記対象流体チャネルと前記相互接続領域との間の少なくとも1つの中間流体チャネルを介して、前記対象流体と前記分散流体との間に前記中間流体を導入することを含む、請求項42に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの中間流体チャネルは、前記対象流体チャネルの前記出口の付近に出口を有する、請求項42に記載の方法。
- 前記対象流体と前記分散流体とは、前記不連続区画の形成の時間スケールにおいて非混和性である、請求項2に記載の方法。
- 前記対象流体、中間流体、および分散流体の各々は、前記区画形成の前記時間スケールにおいて、相互に対して非混和性である、請求項42に記載の方法。
- 並列のマイクロ流体チャネル内において液滴を形成するシステムであって、
複数のマイクロ流体対象流体出口に流体的に接続される入口を有する分配チャネルであって、各出口は、分散流体源に流体的に接続可能な少なくとも1つの分散流体チャネルと流体的に連絡しているマイクロ流体相互接続領域の一部を画定する、分配チャネルを備える、システム。 - 前記分配チャネルは、複数のマイクロ流体デバイスと流体的に連絡しており、各マイクロ流体デバイスは、前記複数のマイクロ流体対象流体出口のうちの少なくとも1つに接続される、請求項48に記載のシステム。
- 複数の分配チャネルをさらに備え、各々は、複数のマイクロ流体対象流体出口に流体的に接続される入口を有する、請求項48に記載のシステム。
- 前記複数の分配チャネルのうちの少なくとも1つは、該分配チャネルの各々に流体的に接続され、各接続は、該複数の分配チャネルのうちの該少なくとも1つのマイクロ流体出口を介して行われる、請求項50に記載のシステム。
- 前記複数の分配チャネルのうちの前記少なくとも1つは、前記分配の分散チャネルに実質的に並列である、請求項51に記載のシステム。
- 前記分配チャネルは、マイクロ流体デバイスの一次元アレイに接続する、請求項48に記載のシステム。
- 前記複数の分配チャネルは、マイクロ流体デバイス二の次元アレイに接続する、請求項50に記載のシステム。
- 前記複数の分配チャネルは、マイクロ流体デバイスの三次元アレイに接続する、請求項50に記載のシステム。
- 前記マイクロ流体デバイスのアレイは、少なくとも約100mL/時の流量が可能である、請求項53、54、または55に記載のシステム。
- 前記マイクロ流体デバイスのアレイは、少なくとも約1L/時の流量が可能である、請求項53、54、または55に記載のシステム。
- 前記マイクロ流体デバイスのアレイは、少なくとも約10L/時の流量が可能である、請求項53、54、または55に記載のシステム。
- 前記マイクロ流体デバイスのアレイは、少なくとも約100L/時の流量が可能である、請求項53、54、または55に記載のシステム。
- 前記アレイは、少なくとも1000個のマイクロ流体デバイスを備える、請求項53、54、または55に記載のシステム。
- 前記アレイは、少なくとも10,000個のマイクロ流体デバイスを備える、請求項53、54、または55に記載のシステム。
- N×Rc1/Rdは、約1%未満である、請求項53に記載のシステム。
- Rc2<Rc1/Mである、請求項54に記載のシステム。
- Rc3<Rc2/Kである、請求項55に記載のシステム。
- 複数の前記マイクロ流体相互接続領域は、前記分散流体源と流体的に接続可能な、少なくとも2つの分散流体チャネルと流体的に連絡している、請求項48に記載のシステム。
- 前記マイクロ流体相互接続領域の各々は、分散流体源と流体的に接続可能な少なくとも2つの分散流体チャネルと流体的に連絡している、請求項48に記載のシステム。
- 前記相互接続領域を画定する少なくとも一部、および前記対象流体チャネルを画定する少なくとも一部は、単一統合ユニットの部分である、請求項48に記載のシステム。
- 前記相互接続領域は、上流部分と、出口に接続される下流部分とを有し、前記対象流体マイクロ流体チャネルは、該相互接続領域の該上流部分と該出口との間に出口を有する、請求項48に記載のシステム。
- 前記相互接続領域は、上流部分と、出口に接続される下流部分と、該上流部分と該出口との間の寸法的に制限された区画とを有する、請求項48に記載のシステム。
- 前記対象流体マイクロ流体チャネルは、前記寸法的に制限された区画の上流に出口を有する、請求項69に記載のシステム。
- 前記対象流体チャネルおよび前記相互接続領域の前記下流部分は各々、中心軸を有し、これらの軸は、整列している、請求項70に記載のシステム。
- 前記対象流体チャネルおよび前記相互接続領域の前記下流部分は各々、中心軸を有し、これらの軸は、整列している、請求項48に記載のシステム。
- 前記相互接続領域および対象流体チャネルに流体的に接続する少なくとも1つの中間流体チャネルをさらに備える、請求項48に記載のシステム。
- 前記中間流体領域は、前記相互接続領域の前記上流部分と出口との間に出口を有する、請求項73に記載のシステム。
- 前記中間流体チャネルは、前記相互接続領域の寸法的に制限された部分の上流に出口を有する、請求項73に記載のシステム。
- 前記対象流体チャネルは、少なくとも1つの中間流体チャネルによって、前記相互接続領域から横方向に分離される、請求項73に記載のシステム。
- 前記対象流体および中間流体チャネルの各々は、前記寸法的に制限された区画の上流に出口を有する、請求項75に記載のシステム。
- 並列のマイクロ流体チャネル内において液滴を形成するシステムであって、
対象流体を運ぶ対象流体チャネルと、分散流体を運ぶ分散流体チャネルとを結合する相互接続領域を備え、該相互接続領域の外壁を画定する少なくとも一部、および該対象流体チャネルの外壁を画定する少なくとも一部は、単一の統合ユニットの部分である、システム。
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