一种应用于纳米颗粒制备的高并行微流道芯片

摘要

本发明涉及一种微流道芯片，是由PDMS顶层、PDMS中间层、PDMS底层和玻璃底片组成；在PDMS顶层、PDMS中间层和PDMS底层的下表面中前部均设有一凹槽，当PDMS顶层、PDMS中间层、PDMS底层和玻璃底片依次对位粘合时，PDMS顶层的凹槽与PDMS中间层、PDMS中间层的凹槽与PDMS底层、PDMS底层的凹槽与玻璃底片分别形成顶层流道、中间层流道、底层流道三层流道；在PDMS顶层上表面，按照顶层流道、中间层流道、底层流道三层流道的位置顺序依次设置三个与其相通的进液口；在每一层流道末端设有10-1000个出液口。本发明采用多通道并行，出液口液体包被的方式实现产物的均一性控制，避免了产物在流道内堵塞的情况，为结合传统体混合和微流系统的优势的典型应用。

权利要求

1.一种微流道芯片，其特征在于，是由PDMS顶层、PDMS中间层、PDMS底层和玻璃底片组成； 其中，在PDMS顶层、PDMS中间层和PDMS底层的下表面中前部均设有一凹槽；当PDMS顶层、PDMS中间层、PDMS底层和玻璃底片依次对位粘合时，PDMS顶层的凹槽与PDMS中间层、PDMS中间层的凹槽与PDMS底层、PDMS底层的凹槽与玻璃底片分别形成顶层流道、中间层流道、底层流道三层流道，三层流道各不相通，互相平行； 其中，在PDMS顶层上表面，按照顶层流道、中间层流道、底层流道三层流道的位置顺序依次设置三个与其相通的进液口；在每一层流道末端设有出液口；所述进液口垂直于每层流道且相互平行；每一层从进液口到出液口之间的流道为树形结构，是由一条流道等分为

2条分支流道，再等分为3条分支流道，依次等分为6条分支流道……，直至分裂为10-1000个分支流道作为出液口。

2.根据权利要求1所述的微流道芯片，其中，所述进液口线宽100-400um，每一层设有

10-1000出液口；中间层流道出液口宽度为5-20微米，高度为5-15微米，线周期为100微米；顶层流道出液口与底层流道出液口宽度为10-40微米，高度为5-20微米，线周期为50微米；PDMS底层厚度为20-40微米，PDMS中间层厚度为10-30微米。

3.根据权利要求2所述的微流道芯片，其中，所述进液口线宽300um，每一层设有100出液口；中间层流道出液口宽度为5微米，高度为5微米，线周期为100微米；顶层流道出液口与底层流道出液口宽度为25微米，高度为15微米，线周期为50微米；PDMS底层厚度为

30微米，PDMS中间层厚度为20微米。

4.根据权利要求1所述的微流道芯片，其中，所述中间层流道为有机相流道，顶层流道与底层流道为水相流道。

5.根据权利要求4所述的微流道芯片，其中，所述有机相由可与水互溶的有机溶剂和不溶于水的溶质组成。

6.根据权利要求4所述的微流道芯片，其中，所述有机溶剂选择甲醇、乙 醇，异丙醇、丁醇、丙酮、乙腈中一种或多种。

7.根据权利要求5所述的微流道芯片，其中，所述溶质选择生物可降解聚合物和被包封的疏水性药物。

8.根据权利要求7所述的微流道芯片，其中，所述生物可降解聚合物选择聚乳酸，聚乳酸-羟基乙酸共聚物，聚乙二醇，聚乙二醇-聚乳酸共聚物，聚乙二醇-聚乳酸-羟基乙酸共聚物,聚己酸内酯，聚乙二醇-聚己酸内酯共聚物，聚葡糖酸酯，聚酐，聚二氧六环酮，聚氰基丙烯酸烷酯中一种或多种。

9.根据权利要求1所述的微流道芯片，其中，所述三层流道的模具均采用光刻胶制备。

10.根据权利要求1所述的微流道芯片，其中，所述PDMS由型号为RTV615的单体A和交联剂B按比例混合而成；所述PDMS顶层采用的PDMS质量比配比是5-20:1，PDMS中间层采用的PDMS质量比配比为5-20:1，PDMS底层采用PDMS质量比配比为5-20:1；所述PDMS顶层、PDMS中间层、PDMS底层采用的PDMS配比均不相同。

11.根据权利要求1所述的微流道芯片，其中，所述PDMS材料被替换为有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或乙烯基聚合物；所述乙烯基聚合物选择聚苯乙烯PS，聚乙烯PE，聚氯乙烯PVC，聚二氯乙烯PVDC中一种或多种。

说明书

一种应用于纳米颗粒制备的高并行微流道芯片

技术领域

[0001] 本发明涉及一种应用于纳米颗粒制备的高并行微流道芯片，属于纳米制药方向。

背景技术

[0002] 现有文献报道过合成几十到几百纳米尺寸的聚合物纳米颗粒的方法，主要的方式为采用利用微流控的方式，将溶解有亲疏水基团的聚合物分子的有机相夹于水相当中。

[0003] 现有技术中的体混合方法，有容易出现混合不一致，产生材料均一性差的缺点。参考文献1《Microfluidic Platform for Controlled Synthesis of Polymeric Nanoparticles》，参考文献2《Synthesis of Size-Tunable Polymeric Nanoparticles Enabled by 3D Hydrodynamic Flow Focusing in Single-Layer Microchannels》中提及的实验室中采用聚合物材料PDMS（聚二甲基硅氧烷）制备的单条流道，将体混合由百微米以上尺度下降到若干微米尺度，无需搅拌的特征扩散反应时间可以小于纳米颗粒生成的特征时间，反应更加均一。如图1、图2所示，由于层流作用，有机相被水相夹成大约几微米的厚度，同时采用的有机溶剂为与水可无限互溶的液体，当有机溶剂扩散入水相后，溶于有机溶剂的聚合物分子便会自组装成几十纳米的颗粒，内部为疏水基团而外部为亲水基团，其平均尺寸小于体混合情况，且均一性优于体混合情况，但由于进液压强的限制，产量只能达到20ul/h左右的速度，同时还存在聚合物材料PDMS表面容易吸附分子，造成流道堵塞。如图
3、图4所示，PLGA聚乳酸-羟基乙酸共聚物-PEG聚乙二醇：改进后的3D流道，可以避免表面的吸附，但是在产量上依然没有提高，同时需要了更多路的流体控制来完成单路的产出，难以高产量的得到产物，工业应用前景差。

发明内容

[0004] 本发明的技术方案。

[0005] 一种应用于纳米颗粒制备的微流道芯片。

[0006] 一种微流道芯片，如图5、图6、图7所示，是由PDMS顶层、PDMS中间层、PDMS底层和玻璃底片组成；

[0007] 其中，在PDMS顶层、PDMS中间层和PDMS底层的下表面中前部均设有一凹槽， 当PDMS顶层、PDMS中间层、PDMS底层和玻璃底片依次对位粘合时，PDMS顶层的凹槽与PDMS中间层、PDMS中间层的凹槽与PDMS底层、PDMS底层的凹槽与玻璃底片分别形成顶层流道、中间层流道、底层流道三层流道，三层流道各不相通，互相平行；

[0008] 其中，在PDMS顶层上表面，按照顶层流道、中间层流道、底层流道三层流道的位置顺序依次设置三个与其相通的进液口；在每一层流道末端设有10-1000个出液口。

[0009] 其中，所述进液口垂直于每层流道且相互平行；每一层从进液口到出液口之间的流道为树形结构，是由一条流道等分为2条分支流道，再等分为3条分支流道，依次等分为6条分支流道···，直至分裂为10-1000个分支流道作为出液口。

[0010] 其中，所述进液口线宽100-400um，中间层流道出液口宽度为5-20微米，高度为5-15微米，线周期为100微米；顶层流道出液口与底层流道出液口宽度为10-40微米，高度为5-20微米，线周期为50微米。

[0011] 其中，中间层流道为有机相流道，顶层流道与底层流道为水相流道。所述有机相为可与水互溶的有机溶剂和不溶于水的溶质组成，有机溶剂例如甲醇、乙醇，异丙醇、丁醇、丙酮、乙腈等，溶质为生物可降解聚合物和被包封的疏水性药物，聚合物例如：聚乳酸（PLA），聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA），聚乙二醇（PEG），聚乙二醇-聚乳酸共聚物(PLA-PEG,PLA-PEG-PLA,PEG-PLA-PEG)，聚乙二醇-聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA-PEG,PLGA-PEG-PLGA,PEG-PLGA-PEG），聚己酸内酯（PCL），聚乙二醇-聚己酸内酯共聚物（PCL-PEG,PCL-PEG-PCL），聚葡糖酸酯（polyglyconate），聚酐（polyanhydrides），多正酯类（polyorthoesters），聚二氧六环酮（polydioxanone），聚氰基丙烯酸烷酯（polyalkylcyanoacrylates）等。

[0012] 其中，中间层流道模具采用光刻胶SU83005型号制备，顶层流道模具与底层流道模具采用光刻胶SU83025型号制备其模具。

[0013] 其中，所述PDMS由单体A和交联剂B按比例混合而成；所述PDMS顶层采用的PDMS配比是5-20:1（质量比），PDMS中间层采用的PDMS配比为5-20:1（质量比），PDMS底层采用PDMS配比为5-20:1（质量比）；所述PDMS顶层、PDMS中间层、PDMS底层采用的PDMS配比均不相同。

[0014] 所述PDMS材料还能够采用有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯PMMA）或乙烯基聚合物，乙烯基聚合物选择聚苯乙烯PS，聚乙烯PE，聚氯乙烯PVC，聚二氯乙烯PVDC等其他聚合物材料替换。

[0015] 一种三层并行微流道芯片的制备工艺，包含以下步骤：

[0016] 步骤一：光刻工艺

[0017] 1）中间层流道模具制备工艺：采用光刻胶SU83005制备，中间层流道出液口宽度为5-20微米，高度为5-15微米，线周期为100微米；

[0018] 2）顶层和底层流道模具的制备工艺：采用光刻胶SU83025制备，顶层流道出液口与底层流道出液口宽度为10-40微米，高度为5-20微米，线周期为50微米。

[0019] 步骤二：软注模工艺

[0020] 1）上述各层采用不同配比的PDMS，PDMS配比介于5-20:1之间；

[0021] 2）通过甩胶机在底层流道模具上注入20-40微米厚度的PDMS，甩胶机相应转速为5000到2000转每分钟；

[0022] 3）通过甩胶机在中间层流道模具上注入10-30微米的PDMS，甩胶机相应转速为6000到3000转每分钟；

[0023] 4）在顶层流道模具上倒入厚度为6mm-2cm的PDMS；

[0024] 5）将上述三层流道模具均放入75℃烘箱固化30分钟。

[0025] 步骤三：对位及粘合

[0026] 1．切下PDMS顶层后，打孔，通过等离子体处理表面后，对位放在固化好的中间层PDMS模具上，在烘箱中75摄氏度烘烤30分钟，完成PDMS顶层和PDMS中间层的粘连；

[0027] 2．同理，从模具上切下已粘合好的两层PDMS，打通中间层的出口后，通过等离子体处理表面后，对位放在固化好的底层PDMS模具上，在烘箱中75摄氏度烘烤过夜，完成与PDMS底层的粘合；

[0028] 3．切下粘合好的三层PDMS，打通底层的出口后将其与玻璃底片通过等离子体处理粘合成最终芯片。

[0029] 对于本发明而言，第一重要的是产物均一性，在同一流速比下决定产物性质的是芯片PDMS膜层厚度；其次是生产速度，对比参考文献1、2，生产速度已经有10-50倍的提升，流道的数目可以部分的限制最大的流速，即最大生产速度。

[0030] 本发明的技术效果：1、采用新兴的MEMS（注明中文含义）以及软光刻工艺，可以非常方便的制备微米尺寸的聚合物流道，聚合物材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料成本低，可以大幅度的降低器件的制备成本。2、在微流道中进行的化学反应，分子析出，对比将常规的加样搅拌混合反应，由于尺寸的直接下降，扩散成平方关系下降，可以加快产物的产生的速度和更好的实现产物的均一性控制。3、采用微米尺度的液体包被可以缩短混合反应时间，让产物更加均匀，但是最近的现有技术，其需要采用复杂的流体控制来完成单条通道的样品制备，需要较高的专业技术，同时产品产量极低。4、新的装置芯片，采用微流与体混合结合的方式，其混合的特征时间明显小于体混合情况，将注入的流道减小到微米尺寸，采用高流速，高平行通道的方式实现高产量下的样品均一性控制。

[0031] 本发明采用多通道并行，出液口反应的方式实现高产量，采用控制出液口尺寸，出液口液体包被的方式实现产物的均一性控制，由于反应在流道外进行，避免了产物在流道内堵塞的情况，为结合传统体混合和微流系统的优势的典型应用。

附图说明

[0032] 图1为采用层流快速扩散混合得到均一的纳米颗粒示意图；

[0033] 图2为2D微流装置示意图；

[0034] 图3为改进的3D产生纳米颗粒的微流装置示意图；

[0035] 图4为改进的微流道中的准3D混合方式；

[0036] 图5为各层出液口俯视图；

[0037] 图6为芯片侧视图；

[0038] 图7为芯片立体结构图；

[0039] 图8为进液口照片；

[0040] 图9为显微镜下出液口图片；

[0041] 图10为用荧光分子替代中间层出口的出口层流情况图（俯视显微图）；

[0042] 图11为实验进行照片；

[0043] 图12为本发明与现有工艺技术各自得到的产物对比照片；

[0044] 图13为颗粒大小分布：同一芯片不同流速的动态光散射结果图；

[0045] 图14为改变水流道线宽（25微米芯片1变为40微米芯片2）的产物结果图；

[0046] 图15为改变层厚度的芯片的产物与体混和对比图；

[0047] 图16为参考文献2补充材料中采用3D，2D微流控芯片产生的产物与体混和比较图。

具体实施方式

[0048] 下面将结合附图对本发明作进一步的阐述。

[0049] 实施例1 制备三层并行微流道芯片1：

[0050] 步骤一：光刻工艺

[0051] 1）中间层流道模具制备：采用光刻胶SU83005，采用甩胶机在硅片上涂布上5-10微米的光刻胶（转速3000rpm-2000rpm，时间为30s），经过65摄氏度烘烤1分钟，95摄氏度烘烤5分钟前烘后，放于曝光机下曝光，采用的掩模为所设计的中间层图形（图5）的阴版，2
曝光时间为50秒，光强为20mw/cm ；曝光后样品放于65摄氏度1分钟，95摄氏度后烘5分钟；经过显影液显影后，获得中间层模具；

[0052] 2）顶层和底层流道模具的制备：采用光刻胶SU83025，步骤同上，前烘条件为65摄氏度1分钟，95摄氏度10分钟，采用相应的掩模，曝光时间为90秒，光强20mw/cm2，后烘条件为65摄氏度1分钟，95摄氏度10分钟。

[0053] 如图5、图6、图7，每层图形均为一个入口经过一个树形结构等分到上百个出口，宽度为入口1条300um，等分到150微米两条，再到100微米3条，50微米6条，50微米12条，到出口10-1000条流道。出口流道宽度底顶层为25微米宽度，周期50微米，中间层为5微米宽度，100微米周期。

[0054] 步骤二：软注模工艺，

[0055] 1）采用不同配比的PDMS，PDMS顶层采用PDMS配比是15：1，PDMS中间层采用的PDMS配比为10:1，PDMS底层采用PDMS配比为8:1；

[0056] 2）通过甩胶机在底层流道模具上注入30微米厚度的PDMS，甩胶机相应转速为2000转每分钟；

[0057] 3）通过甩胶机在中间层流道模具上注入20微米的PDMS，甩胶机相应转速为3000转每分钟；

[0058] 4）在顶层流道模具上倒入厚度为6mm的PDMS；

[0059] 5）将上述三层PDMS覆盖的流道模具均放入75℃烘箱固化30分钟。

[0060] 步骤三：对位及粘合

[0061] 1）切下PDMS顶层后，打孔，通过等离子体处理表面后，对位放在固化好的中间层PDMS模具上，在烘箱中75摄氏度烘烤30分钟，完成PDMS顶层和PDMS中间层的粘连；

[0062] 2）同理，从模具上切下已粘合好的两层PDMS，打通中间层的出口后，通过等离子体处理表面后，对位放在固化好的底层PDMS模具上，在烘箱中75摄氏度烘烤过夜，完成与PDMS底层的粘合。

[0063] 3）切下粘合好的三层PDMS打通底层的出口后将其与玻璃底片通过等离子体处理粘合成最终芯片；

[0064] 最终得到的芯片1进液口线宽300um，PDMS中间层末端设有100个出液口，PDMS顶底末端设有240个出液口；PDMS中间层流道出液口宽度为5微米，高度为5微米，线周期为100微米；PDMS顶层流道出液口与PDMS底层流道出液口宽度为25微米，高度为15微米，线周期为50微米；PDMS底层厚度为30微米，PDMS中间层厚度为20微米。

[0065] 实施例2 制备三层并行微流道芯片2：

[0066] 采用实施例1的方法，制得三层并行微流道芯片进液口线宽300um，中间层流道末端设有50个出液口，顶底层末端设有120个出液口。中间层流道出液口宽度为20微米，高度为15微米，线周期为100微米；顶层流道出液口与底层流道出液口宽度为40微米，高度为20微米，线周期为50微米；PDMS底层厚度为40微米，PDMS中间层厚度为30微米。 [0067] 实施例3 制备三层并行微流道芯片3：

[0068] 采用实施例1的方法，但将PDMS替换为有机玻璃PMMA，PMMA为加热液化，不是和PDMS一样的交联固化反应；可将实施例1步骤二中1）的PDMS改为在180摄氏度加热熔化后的PMMA；5）中将所得三层PMMA覆盖的流道模具放于室温冷却；步骤三中等离子体粘合改为在140摄氏度下加热粘合。

[0069] 制得三层并行微流道芯片进液口线宽100um，中间层流道末端设有450个出液口，顶底层末端设有1000个出液口。中间层流道出液口宽度为10微米，高度为10微米，线周期为100微米；顶层流道出液口与底层流道出液口宽度为10微米，高度为5微米，线周期为50微米；PMMA底层厚度为35微米，PMMA中间层厚度为25微米。

[0070] 实施例4 制备三层并行微流道芯片4：

[0071] 采用实施例1的方法，制得三层并行微流道芯片进液口线宽400um，中间层流道末端设有10个出液口，顶底层末端设有20个出液口。中间层流道出液口宽度为20微米，高度为15微米，线周期为100微米；顶层流道出液口与底层流道出液口宽度为40微米，高度为20微米，线周期为50微米；PDMS底层厚度为25微米，PDMS中间层厚度为15微米。

[0072] 芯片结果测试：

[0073] 1、进液控制

[0074] 在培养皿中注入约5ml纯水，将芯片出液口泡入纯水中后，如图11所示，顶层流道和下层流道通入纯水溶液，推速为1.5ml/h，3分钟后中间层流道入口通入PEG-PLGA/ACN溶液，典型浓度为50mg/ml,典型聚合物分子量为PEG5k-PLGA55k，典型推速为100ul/h至1ml/h。推一个小时后收集样品,并加纯水至10ml体积。

[0075] 体混合条件为在10ml液体中加入200ul的50mg/ml的PEG-PLGA/ACN溶液。

[0076] 2、对样品的鉴定

[0077] 如图12所示，由左到右为体混合产物A，200ul体积，50mg/ml浓度的PLGA55k-PEG5k/ACN加入到10毫升纯水中的产物；芯片产物B、C、D，50mg/ml浓度的PLGA55k-PEG5k/ACN溶液，推速分别200ul/h，500ul/h，1ml/h，总推液时间均为1小时，水相流速为1.5ml/h，体现颗粒浓度即分别为1mg/ml，2.5mg/ml，5mg/ml,颗粒大小测量如图13,图14所示，产物B,C，D大约为150-160nm，峰较窄，而体混合结果产物A颗粒大小极不均一，很多微米尺度的颗粒产生。

[0078] 通过测试，可以得出以下结论：

[0079] 1）高通量性。由图5、图6、图7、图9所示，树状结构的流道，由1条流道分支为数百条流道，能够大大提高液体通过的芯片的流量。

[0080] 2）快速混合效果。对照参考文献1和参考文献2，图10是在显微镜下的图片，从中可以看出，有机相和水相在出液口处混合效果。

[0081] 3）产物均一性高。由图13可见，芯片的样品均一性结果明显优于体混合，体混合明显有大尺寸颗粒，加大流速提升产量，产物性质无明显变化（有机相200ul/h与1000ul/h，分子为PLGA55k-PEG5k，每一水相为1.5ml/h）。产量速度比起已有文献（《Microfluidic Platform for Controlled Synthesis of Polymeric Nanoparticles》，《Synthesis of Size-Tunable Polymeric Nanoparticles Enabled by 3D Hydrodynamic Flow Focusing in Single-Layer Microchannels》）可高十倍以上，同时颗粒大小均一性结果与文献报道接近，并且在流速为200ul/h到1ml/h时，产物接近，说明流速控制精度要求低，适合工业化生产。

[0082] 对不同芯片的理论与测试结果：如图14所示，流速为500ul/h，分子为PLGA55k-PEG5k，水流道的线宽宽可以得到较好的包被效果，申请人测试了两类水流道宽度的芯片：25微米宽度和40微米宽度，发现产物基本没有变化。

[0083] 如图15所示，PLGA55k-PEG5k 50mg/ml，推速为500ul/h，芯片1为底层膜厚30um，中间层厚20um，芯片2为底层膜厚40微米，中间层膜厚30微米，测试结果芯片产物均优于体混合产物情况。有机相每条流道应距离足够远以满足每条有机相流出流道后周围均被水包裹。

[0084] 理论上水相和有机相液层为越薄越好，厚薄程度在同一流速情况下直接影响扩散时间，越薄的情况产物均一性会越好，而在同一流速比的情况，芯片PDMS底层和中层的厚度会直接影响到液层的厚度，我们测试了两类芯片，见图15，芯片1采用的膜厚为底层30微米，中间层20微米，采用同样的流速，结果要略优于底层为40微米，中间层为30微米芯片2的情况，但由于PDMS甩胶曲线决定，PDMS的膜厚下限为15微米，同时越薄，芯片的稳定性会越差，所以最优条件我们就选为底层30微米，中间层膜厚20微米。

[0085] 图16来自参考文章《Synthesis of Size-Tunable Polymeric Nanoparticles Enabled by 3D Hydrodynamic Flow Focusing in Single-Layer Microchannels》的补充材料，该文章指出体混合制备的产物，当PLGA-PEG浓度越高的时候产物越大且不均匀，本发明的产物在同样的浓度及接近的分子量的情况下对比其3D、2D的产物大小和均一性，均与其接近，但流速控制范围在200ul/h-1000ul/h，产物无太大变化，可以说明我们上述的结论。

[0086] 4）本发明提供的芯片在200ul/h到1000ul/h时，产物均与文献结果接近，而对比文献，其需要较为严格限制流速大小，且PLGA-PEG/ACN流速远低于本发明的情况，测试本发明的芯片的极限推速可以达到水相15ml/h，有机相达到5ml/h，在此条件下，同一浓度及分子量的产物大小均无较大变化。也证明了本发明的芯片流速控制精度要求低，产量大，比已有的微流文献更适合工业化生产。

[0087] 对比体混合，本专利的芯片得到的产物均一性好；对比参考文献1和参考文献2，只需要3通路控制，产物速度要快10倍以上，产物均一性指标与其接近，以上分析可以得出结论我们的芯片及相关技术方案可以实现高产量，均一性好的纳米颗粒制备，其对流速控制的低要求使其适合工业化生产。