图案化水凝胶微粒制备方法及微流控装置转让专利
申请号 : CN202110226754.9
文献号 : CN113070108B
文献日 : 2022-05-06
发明人 : 林金明 , 吴增楠
申请人 : 清华大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种微流控装置,其特征在于,包括:微流控芯片供胶系统,包括三维微流控芯片,所述微流控芯片输入分散相溶液,形成层流结构;
毛细管喷射系统,用于输入层流结构的分散相溶液,通入气体对所述分散相溶液进行切割,形成多隔室结构的水凝胶微粒。
2.根据权利要求1所述的微流控装置,其特征在于,所述微流控芯片供胶系统还包括载玻片和PDMS片,所述载玻片上放置微流控芯片,所述微流控芯片上设置有分散相入口和分散相出口,所述分散相出口垂直于微流控芯片,所述PDMS片位于载玻片上外包围所述微流控芯片,作为分散相溶液的屏障。
3.根据权利要求2所述的微流控装置,其特征在于,所述毛细管喷射系统包括输入毛细管、输出毛细管和连接件,所述输入毛细管与所述分散相出口连通,分散相溶液通过分散相出口流入输入毛细管,所述连接件一端连接输入毛细管,另一端连接输出毛细管,输入毛细管和输出毛细管同轴,所述连接件上设置有气体入口,通过气体对从输入毛细管流出的分散相溶液进行切割,形成多隔室结构的水凝胶微粒。
4.根据权利要求3所述的微流控装置,其特征在于,所述连接件为三通阀。
5.根据权利要求3所述的微流控装置,其特征在于,所述微流控芯片和输入毛细管横轴共轴相连,构成分散相微通道,所述输入毛细管和输出毛细管竖轴共轴。
6.根据权利要求5所述的微流控装置,其特征在于,所述毛细管喷射系统还包括辅助毛细管,所述辅助毛细管的外壁与连接件间隙配合,所述辅助毛细管的内壁与所述输入毛细管间隙配合,所述连接件与所述输出毛细管间隙配合,通过连接件和辅助毛细管使得输入毛细管和输出毛细管竖轴共轴。
7.根据权利要求1所述的微流控装置,其特征在于,所述毛细管喷射系统还包括气流控制器,用于控制切割分散相溶液气体的流速。
8.根据权利要求5所述的微流控装置,其特征在于,包括多个微流控芯片和多个输入毛细管,构成多重分散相的微通道,通过分散相微通道的不同排布,控制多重分散相溶液的输入,控制图案化水凝胶微粒的内部结构。
9.根据权利要求2所述的微流控装置,其特征在于,所述微流控芯片有两个分散相输入口,相对于所述分散相输出口对称设置。
10.一种采用权利要求1‑9中任一所述的微流控装置制备图案化水凝胶微粒的方法,其特征在于,包括:
将分散相溶液注入微流控芯片供胶系统的微流控芯片,形成层流结构;
微流控芯片供胶系统的多隔室结构的分散相溶液进入毛细管喷射系统;
在毛细管喷射系统内通入气体,对分散相溶液进行切割,形成多隔室结构的水凝胶微粒。
说明书 :
图案化水凝胶微粒制备方法及微流控装置
技术领域
背景技术
品添加剂,和可控的微反应等。此外,更复杂的应用对高阶的水凝胶结构提出了挑战,精确
的凝胶空间布置有利于拓宽水凝胶液滴的应用范围,从而帮助人们应对更复杂的挑战。
这些技术都可以用于制备图案化微粒,但是这些技术通常难以灵活设计微粒内部隔室的结
构,例如微粒内部的非对称结构分布。此外这些技术包含一些非生物相容性的操作刺激损
伤细胞培养,如液体切割时酸性环境的刺激,离心装置的机械损伤,以及光刻技术的光损伤
和电动驱动的电刺激。
发明内容
流控芯片,所述PDMS片位于载玻片上外包围所述微流控芯片,作为分散相溶液的屏障。
端连接输入毛细管,另一端连接输出毛细管,输入毛细管和输出毛细管同轴,所述连接件上
设置有气体入口,通过气体对从输入毛细管流出的分散相溶液进行切割,形成多隔室结构
的水凝胶微粒。
毛细管间隙配合,通过连接件和辅助毛细管使得输入毛细管和输出毛细管竖轴共轴。
构。
入控制实现更复杂结构的图案化异质颗粒的制备,该装置在下游利用压力气体对输入的连
续胶液进行切割,通过气流控制器的调节,有效精准的调控液滴的尺寸。提供了一种绿色安
全的图案化水凝胶微粒的制备方法,适用于生物医学领域的3D细胞培养。
附图说明
件;11、输出毛细管;12、上端口;13、下端口;14、水平端口;15、气流控制器;16、气体钢瓶;
17、第一分散相流路;18、第二分散相流路;19、气流流路。
具体实施方式
人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
且气动驱动液滴的切割绿色安全,适用于细胞培养领域。微流控芯片供胶系统作为三维供
胶系统灵活可变可制造多种结构水凝胶微粒。
相出口5,所述微流控芯片输入分散相溶液,形成层流结构,所述PDMS片4位于载玻片3上外
包围所述微流控芯片,作为分散相溶液的屏障。
流入输入毛细管8,所述连接件10一端连接输入毛细管8,另一端连接输出毛细管11,输入毛
细管8和输出毛细管11保持同轴,所述连接件10上设置有气体入口,通过气体对从输入毛细
管8流出的分散相溶液进行切割,形成多隔室结构的水凝胶微粒。
的具有水平微流控芯片,垂直毛细管喷射系统2和气体驱动液滴切割特征的微流控装置。
所述输出毛细管11间隙配合,通过连接件10和辅助毛细管9使得输入毛细管8和输出毛细管
11竖轴共轴。也就是说,所述微流控芯片的分散相出口5,输入毛细管8,辅助毛细管9,三通
阀(连接件10),输出毛细管11共轴相连,所述三通阀、气流控制器15和气体钢瓶16连通,并
且通过热熔胶固定各个连接处。
制。
调节进入三通阀的水平端口14将输入毛细管8中流出的胶液切割成单液滴,所述输入毛细
管8外径dinput与所述辅助毛细管9内径dmiddle的关系是:dinput=dmiddle–h,其中h=50‑100μm,
所述辅助毛细管9外径dmiddle’与所述三通阀上端口12内径dinner的关系为dmiddle’=dinner–l,l
=100‑200μm,所述输出毛细管11外径doutput与所述三通阀下端口13内径(三通阀上端口12、
下端口13内径相同)dinner的关系为doutput=dinner–r,r=100‑200μm。所述三通阀的水平端口
14与所述气流控制器15和所述气体钢瓶16连通,输入连续气流体。
水凝胶微粒的内部结构。也就是说,微流控芯片供胶系统1可以灵活的设计多重分散相的微
通道组装方式,只需调整微流控芯片上微通道的排布和设计,相应的控制多重分散相的输
入即可实现图案化水凝胶微粒的内部结构(腔室数量、腔室材料)的可控。毛细管喷射系统2
中的压力气流驱动源提供压力气流完成液滴切割,绿色安全,适用于应用在生物医学领域
中的3D细胞培养。通过使用预设的芯片图案制造具有异质结构的图案化水凝胶微粒。
辅助毛细管9,三通阀(连接件10)、输出毛细管11、气流控制器15和气体钢瓶16;位于上游的
微流控芯片供胶系统1通过位于下游的毛细管喷射系统2中的输入毛细管8与毛细管喷射系
统2相连通;输入毛细管8和输出毛细管11分别从三通阀的上端口12和下端口13插入,输入
毛细管8在辅助毛细管9的辅助下同轴插入输出毛细管11,气体钢瓶16提供的气流经气流控
制器15调控通过三通阀水平端口14注入三通阀内部,气流和分散相溶液在输出毛细管11内
发生切割,制备出图案化水凝胶微粒。代替传统水凝胶微粒制备技术,本发明提供了一种立
体的由水平微流控芯片和垂直的毛细管系统组成的集合微流控装置,气动驱动作为动力源
完成液滴的切割制备。通过简单的改变微流控芯片的设计,便捷、高效地实现图案化水凝胶
微粒内部结构的调控,避免了商品化装置材料的限制,绿色安全的气体驱动设备为高阶图
案化水凝胶微粒在生物医学领域的应用提供了更高生物相容性的细胞培养条件。
相微通道,上游的微流控芯片可以灵活的设计多重分散相的微通道组装方式,例如,微通道
设计可调的PDMS片4、分散相出口5和分散相入口;共轴的下游的毛细管喷射系统2利用输入
毛细管8输入分散相,共轴输入毛细管8外径与辅助毛细管9内径尺寸相匹配,辅助毛细管9
外径与三通阀上端口12内径尺寸相匹配,所以辅助毛细管9促进输入毛细管8与三通阀共
轴;三通阀的水平端口14与气流控制器15和气体钢瓶16连通,输入连续气流体从360°实现
对分散相的包裹;输出毛细管11外径与三通阀下端口13内径尺寸相匹配促进共轴,所以输
入毛细管8与输出毛细管11共轴。
水凝胶微粒,优选地,相对于所述分散相出口对称设置,可以形成相同的双腔室
方式设置的分散相入口,更能形成相同的六个隔室。
芯片上微通道的排布和设计,相应的控制多重分散相的输入即可实现,可以用于突破更复
杂,更高阶的图案化水凝胶微粒的制备。同时,图案化水凝胶微粒制备是通过气体切割实
现,极大地提高了制备方法的绿色安全性能。
进入毛细管喷射系统;在毛细管喷射系统内通入气体,对分散相溶液进行切割,形成多隔室
结构的水凝胶微粒。
阀内,然后进入输出毛细管11,气体钢瓶16提供的气流经气流控制器15调控通过三通阀水
平端口14注入三通阀内部,气流和分散相溶液在输出毛细管11的气体切割区发生切割,完
成绿色、安全的图案化水凝胶微粒的制备过程。
下端口13插入三通阀内一定深度,将输入毛细管8从辅助毛细管9内部穿过经三通阀上端口
12插入输出毛细管11内一定深度,并用热熔胶封住接缝处;三通阀水平端口14、气流控制器
15和气体钢瓶16连通,并用热熔胶封住接缝处,构成整体密封结构,完成装置搭建;
进入上游的微流控芯片供胶系统1内,在微流控芯片的分散相出口5处汇聚,以层流形式流
入与微流控芯片的分散相出口5相连的输入毛细管8内,保持层流状态进入输出毛细管,此
时气流控制器15和气体钢瓶16提供压力可调的气流流路19沿着气流流路通过三通阀水平
端口14注入三通阀内部,然后进入输出毛细管11,然后气流和分散相溶液在输出毛细管11
的气体切割区发生切割,制备出双腔室水凝胶微粒。
分散相出口5共轴相连的输入毛细管8内,保持层流状态进入三通阀内部,然后注入输出毛
细管11,此时气体钢瓶16提供的气流经气流控制器15调控通过三通阀水平端口14注入三通
阀内部,然后注入输出毛细管11,然后气流和分散相溶液在输出毛细管11的气体切割区发
生切割,制备出双腔室水凝胶微粒。由于微尺度空间内的层流效应,所制备的双腔室水凝胶
微粒内部结构为体积大小相等的两个隔室围绕微球中轴线排布。
片供胶系统1中,在微流控芯片的分散相出口5处汇聚,以层流形式流入与微流控芯片的分
散相出口5共轴相连的输入毛细管8内,保持层流状态进入三通阀内部,然后注入输出毛细
管11,此时气体钢瓶16提供的气流经气流控制器15调控通过三通阀水平端口14注入输出毛
细管11,然后气流和分散相溶液在输出毛细管11的气体切割区发生切割,制备出六腔室水
凝胶微粒。由于微尺度空间内的层流效应,所制备的六腔室水凝胶微粒内部结构为体积大
小相等的六个隔室围绕微球中轴线排布。
分散相出口5处汇聚,以层流形式流入与微流控芯片的分散相出口5共轴相连的输入毛细管
8内,保持层流状态进入三通阀内部,然后注入输出毛细管11,此时气体钢瓶16提供的气流
经气流控制器15调控通过三通阀水平端口14注入输出毛细管11,然后气流和分散相溶液在
输出毛细管11的气体切割区发生切割,制备出三腔室水凝胶微粒。由于微尺度空间内的层
流效应,所制备的非对称三腔室水凝胶微粒内部结构为体积大小不均匀的三隔室围绕微球
中轴线排布。
寸的控制,依托三维的微液滴产生装置的三维精准流体控制和绿色安全可应用于精准生物
医学中的生物3D培养等领域。
本发明的权利要求的保护范围。