一種用于固體內核包裹的毛細管微流控裝置及制備方法與流程

本發明屬于雙重乳液技術領域，具體涉及的是一種為解決當前乳液制備技術包覆固體內核可控性差、適應性窄的問題而設計的具有毛細管組裝結構和共軸聚焦式微通道特征的微流控裝置。

背景技術：

雙重乳液是一種液滴嵌套結構的多相體系，通過分散相外液滴包裹著更小內液滴，兩相流體就構成了核殼微結構。由于核殼微結構可以有效保護內液滴不同外部環境發生物理、化學等反應，所以被廣泛用于藥物輸運、化學隔離、生物模板、細胞培養及為反應器等領域。

目前雙重乳液的制備方法已經很完善，通過使用不同的方法，可以進行大批量的乳液生產或者進行單分散雙重乳液制備。常用的雙重乳液的制備方法有3種，包括：整體多步乳化法、多步膜乳化法和微流控乳化法。

多步膜乳化法是通過對分散相液體加壓，使其在受壓多孔膜時發生乳化，這種方法只能用于制得三相均為液相型雙重乳液。整體多步乳化法通過機械攪拌，不僅可以制得三相均為液相型雙重乳液，還能通過將內相流體替換固體球，制備三相分別為固-液-液的雙重乳液。這種方法能夠實現大批量雙重乳液連續生產，然而由于攪拌中剪切力不均勻，所以對于雙重乳液結構和單分散性控制很不理想。

為了提高雙重乳液的單分散性，并實現更復雜的雙重乳液制備，性能優異的微流控乳化法被運用在乳液制備中。通過對微通道中多相流體的剪切，實現“一步法”制備雙重乳液，從而制得結構、尺寸符合要求的雙重乳液。目前，微流控法的運用主要還是針對液相流體，針對固體內核的包裹還有待開發。為此，迫切需要開發既能實現對固體內核的包裹，同時生成的雙重乳液有具有較好的結構可控性和多工況適用性的針對固體內核包裹的雙重乳液制備方法。

由于微流控乳化法制備的乳液結構可控且形貌優秀，因此，本發明吸納微流控乳化法的思想，將不同毛細管組裝，構成共軸聚焦式微通道，從而實現對固體內核的穩定、高效的包裹。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供了一種用于固體內核包裹的具有毛細管組裝結構和共軸聚焦式微通道特征的微流控裝置。該裝置能夠有效實現固體內核的包裹，同時還能對固體內核的數目進行控制，以獲取不同結構特征的雙重乳液。

技術方案

為解決傳統固體球包裹技術存在的上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種用于固體內核包裹的毛細管微流控裝置，包括內相毛細管以及外相毛細管，所述內相毛細管構成內相微通道，其特征在于：還包括一連接毛細管，所述內相毛細管和所述外相毛細管從所述連接毛細管的兩側插入并間隔開構成乳化區，所述乳化區的長度為n，0.5d₂<n<1.5d₂，d₂為內相毛細管的外徑，乳化區內的內相毛細管和外相毛細管的端部均為錐形，錐度為k，其中15°<k<60°，在所述外相毛細管與連接毛細管之間形成有出口位于所述乳化區的外相微通道，所述內相毛細管內徑d₁與所述外相毛細管內徑D₁的關系為：d₁=D₁-h，其中，h=100-300μm。

所述連接毛細管為方管，內相毛細管的外徑d₂與方管的內方孔的邊長l之間的關系為：d₂=l-m，其中，m=5-35μm。

所述內相毛細管、外相毛細管以及連接毛細管通過點膠針頭整體連接后固定在一載玻片上。

在所述內相毛細管的輸入端連接有一內相注射泵，在所述外相微通道的入口連接有一外相注射泵，在所述外相毛細管的出口連接有一乳液收集器。

所述內相毛細管、外相毛細管和連接毛細管均為玻璃毛細管。

所述外相毛細管內徑D₁（流體通道）沿乳化區向流體出口方向漸擴的錐形，錐度為q，其中5°<q<30°。

一種采用上述任一所述的毛細管微流控裝置制備微球的方法，其特征在于：將包含有固體球的內相液通過內相注射泵注入內相毛細管，將外相液通過外相注射泵注入外相微通道，并調節各外相液和內相液的流量，實現固體球的單包裹以及多包裹。

通過對毛細管進行表面改性，應用于固-水-油及固-水-水雙重乳液體系。

本發明一種用于固體內核包裹的毛細管微流控裝置，

微流控孔芯片采用毛細管組裝，結構簡單，容易實現，極大地降低了微流控芯片制造的難度。內相毛細管通道較為平直，保證固體球在內相微通道中的輸運順利，不受阻礙。外相毛細管通道具有一定的漸括性，保證聚焦式結構的形成。

當固體球通過所述的內相注射泵進入所述的內相微通道，并在所述的乳化區，通過內相流體和外相流體之間的剪切作用，實現雙重乳液的生成。通過調節各相流速可以實現多核包裹。通過對毛細管進行表面改性，可以應用于固-水-油及固-水-水雙重乳液體系。

內相圓形毛細管、外相方形毛細管和方管均為玻璃毛細管，有利用通過簡單的處理，實現微通道的表面改性。

有益效果：

本發明公開了一種用于固體內核包裹的毛細管微流控裝置，具有以下有益效果：

1.本發明采用微流控技術制備單分散含固核雙重乳液，通過構建共軸聚焦式乳化結構，固體球在運動過程中被牢牢鎖定，為有效且高質量包裹固體核提供了一種新方法。

2.本發明采用嵌套結構，內相毛細管與外相毛細管的外徑與方形連接管的內棱長匹配，可以實現玻璃毛細管同軸化固定；其中，內相及外相毛細管處于乳化區內的部分均采用錐度端口，利于實現聚焦式結構；同時采用漸括微通道，提供固核剪切力，促進乳液形成。

3.本發明可以實現固-水-油及固-油-水雙重乳液體系，拓展了固體球包裹技術的使用范圍。

4.本發明通過調節各相流速，可以精確控制雙重乳液的尺寸和內部結構，實現固體球的多核包裹，可以用于構造更復雜的雙重乳液體系。

5.本發明采用組裝法構建微流控芯片，操作簡單，易于實現，通過常規手段就可以構建微流控芯片，易于實現大批量、工業化生產。

附圖說明

圖1一種用于固體內核包裹的毛細管微流控裝置示意圖。

圖2微流控芯片示意圖。

圖3毛細管組裝結構示意圖。

圖4是連接毛細管與外相毛細管的連接示意圖。

圖5固體內核單核包裹實施例1示意圖。

圖6固體內核二核包裹實施例2示意圖。

圖7固體內核三核包裹實施例3示意圖。

圖8固體內核四核包裹實施例4示意圖。

圖中1.內相注射泵；2.外相注射泵；3.微流控芯片；4.乳液收集器；5.載玻片；6.點膠針頭；7.內相圓形毛細管；8. 方管；9.外相圓形毛細管；10.內相溶液；11.固核；12.外相微通道進口。

具體實施方式:

下面結合附圖對本發明的較佳實例進行更進一步的詳細說明，以使本發明的優點和特征能夠更易于被本領域技術人員理解：

圖1給出了一種用于固體內核包裹的毛細管微流控裝置示意圖，具體結構包括內相注射泵1；外相注射泵2；微流控芯片3；乳液收集器4。內相注射泵1與微流控芯片3的內相微通道進口相連，外相注射泵2與微流控芯片3的外箱微通道相連，乳液收集器4與微流控芯片3的出口微通道相連。

圖2給出了微流控芯片示意圖，具體結構包括載玻片5；點膠針頭6；內相毛細管7；方管8；外相毛細管9。內相圓形毛細管7和外相圓形毛細管9從方管8的兩側插入并構成乳化區，整體固定于載玻片5的表面，然后用點膠針頭6，分別將方管8與內相圓形毛細管7和外相圓形毛細管9之間的接頭處封住，內相圓形毛細管7構成內相微通道，外相圓形毛細管9與方管8之間的點膠針頭6外相圓形毛細管9成外相微通道。

圖3、圖4給出了毛細管組裝結構示意圖，具體結構內相毛細管7；方管8；外相毛細管9。內相圓形毛細管7和外相圓形毛細管9從方管8的兩側插入并構成乳化區，內相圓形毛細管7和外相圓形毛細管9的外徑與方管8內棱長匹配，即d₂=l-m，D₂=l-m，其中，m=5-35μm，以保證組裝所述的內相毛細管和所述的外相毛細管共軸；乳化區中，內相圓形毛細管7和外相圓形毛細管9的均為錐形，錐度為k，其中15°<k<60°并且間隔距離為n，0.5d₂<n<1.5d₂，構成聚焦式結構。

圖5-圖8給出了固體內核包裹的4個實施例示意圖，下面結合附圖，進行具體說明。

一種用于固體內核包裹的毛細管微流控裝置的實施例具體實施步驟：

(1)配制相關溶液，針對固-水-油體系，固體球可選用PS固體球，內相水溶液可選用2%PVA溶液，外相油溶液可選用粘度為50CS的二甲基硅油。針對固-油-水體系，固體球可選用PS固體球，內相油溶液可選用乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA），外相水溶液可選用2%的PVA水溶液；

(2)針對固-水-油體系，將方管8和外相圓形毛細管9進行疏水處理；針對固-油-水體系，將方管8和外相圓形毛細管9進行親水處理；

(3)構建毛細管微流控芯片，完成裝置搭建；

(4) 將固體球及配制的溶液對應內相、外相流通道注入，并調節各相流量，實現固體球的單包裹以及多包裹；

(5) 對生成的雙重乳液進行收集，獲得包裹固體球后的雙重乳液。

圖5給出了固體內核單核包裹實施例1，通過內相注射泵1注入的固體內核以及內相水/油溶液，被通過注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，實現固體球單核包裹。實例中采用的內相及外向流量分別為：0.5mL/h,5mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 17mL/h (固-油-水)。

圖6給出了固體內核二核包裹實施例2，通過內相注射泵1注入的固體內核以及內相水/油溶液，被通過注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，實現固體球二核包裹。實例中采用的內相及外向流量分別為：0.5mL/h,2mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 9mL/h (固-油-水)。

圖7給出了固體內核三核包裹實施例3，通過內相注射泵1注入的固體內核以及內相水/油溶液，被通過注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，實現固體球二核包裹。實例中采用的內相及外向流量分別為：0.5mL/h,1.5mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 7.5mL/h (固-油-水)。

圖8給出了固體內核四核包裹實施例4，通過內相注射泵1注入的固體內核以及內相水/油溶液，被通過注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，實現固體球二核包裹。實例中采用的內相及外向流量分別為：0.5mL/h,1mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 6mL/h (固-油-水)。

以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。