一种用于固体内核包裹的毛细管微流控装置及制备方法与流程

本发明属于双重乳液技术领域，具体涉及的是一种为解决当前乳液制备技术包覆固体内核可控性差、适应性窄的问题而设计的具有毛细管组装结构和共轴聚焦式微通道特征的微流控装置。

背景技术：

双重乳液是一种液滴嵌套结构的多相体系，通过分散相外液滴包裹着更小内液滴，两相流体就构成了核壳微结构。由于核壳微结构可以有效保护内液滴不同外部环境发生物理、化学等反应，所以被广泛用于药物输运、化学隔离、生物模板、细胞培养及为反应器等领域。

目前双重乳液的制备方法已经很完善，通过使用不同的方法，可以进行大批量的乳液生产或者进行单分散双重乳液制备。常用的双重乳液的制备方法有3种，包括：整体多步乳化法、多步膜乳化法和微流控乳化法。

多步膜乳化法是通过对分散相液体加压，使其在受压多孔膜时发生乳化，这种方法只能用于制得三相均为液相型双重乳液。整体多步乳化法通过机械搅拌，不仅可以制得三相均为液相型双重乳液，还能通过将内相流体替换固体球，制备三相分别为固-液-液的双重乳液。这种方法能够实现大批量双重乳液连续生产，然而由于搅拌中剪切力不均匀，所以对于双重乳液结构和单分散性控制很不理想。

为了提高双重乳液的单分散性，并实现更复杂的双重乳液制备，性能优异的微流控乳化法被运用在乳液制备中。通过对微通道中多相流体的剪切，实现“一步法”制备双重乳液，从而制得结构、尺寸符合要求的双重乳液。目前，微流控法的运用主要还是针对液相流体，针对固体内核的包裹还有待开发。为此，迫切需要开发既能实现对固体内核的包裹，同时生成的双重乳液有具有较好的结构可控性和多工况适用性的针对固体内核包裹的双重乳液制备方法。

由于微流控乳化法制备的乳液结构可控且形貌优秀，因此，本发明吸纳微流控乳化法的思想，将不同毛细管组装，构成共轴聚焦式微通道，从而实现对固体内核的稳定、高效的包裹。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种用于固体内核包裹的具有毛细管组装结构和共轴聚焦式微通道特征的微流控装置。该装置能够有效实现固体内核的包裹，同时还能对固体内核的数目进行控制，以获取不同结构特征的双重乳液。

技术方案

为解决传统固体球包裹技术存在的上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于固体内核包裹的毛细管微流控装置，包括内相毛细管以及外相毛细管，所述内相毛细管构成内相微通道，其特征在于：还包括一连接毛细管，所述内相毛细管和所述外相毛细管从所述连接毛细管的两侧插入并间隔开构成乳化区，所述乳化区的长度为n，0.5d₂<n<1.5d₂，d₂为内相毛细管的外径，乳化区内的内相毛细管和外相毛细管的端部均为锥形，锥度为k，其中15°<k<60°，在所述外相毛细管与连接毛细管之间形成有出口位于所述乳化区的外相微通道，所述内相毛细管内径d₁与所述外相毛细管内径D₁的关系为：d₁=D₁-h，其中，h=100-300μm。

所述连接毛细管为方管，内相毛细管的外径d₂与方管的内方孔的边长l之间的关系为：d₂=l-m，其中，m=5-35μm。

所述内相毛细管、外相毛细管以及连接毛细管通过点胶针头整体连接后固定在一载玻片上。

在所述内相毛细管的输入端连接有一内相注射泵，在所述外相微通道的入口连接有一外相注射泵，在所述外相毛细管的出口连接有一乳液收集器。

所述内相毛细管、外相毛细管和连接毛细管均为玻璃毛细管。

所述外相毛细管内径D₁（流体通道）沿乳化区向流体出口方向渐扩的锥形，锥度为q，其中5°<q<30°。

一种采用上述任一所述的毛细管微流控装置制备微球的方法，其特征在于：将包含有固体球的内相液通过内相注射泵注入内相毛细管，将外相液通过外相注射泵注入外相微通道，并调节各外相液和内相液的流量，实现固体球的单包裹以及多包裹。

通过对毛细管进行表面改性，应用于固-水-油及固-水-水双重乳液体系。

本发明一种用于固体内核包裹的毛细管微流控装置，

微流控孔芯片采用毛细管组装，结构简单，容易实现，极大地降低了微流控芯片制造的难度。内相毛细管通道较为平直，保证固体球在内相微通道中的输运顺利，不受阻碍。外相毛细管通道具有一定的渐括性，保证聚焦式结构的形成。

当固体球通过所述的内相注射泵进入所述的内相微通道，并在所述的乳化区，通过内相流体和外相流体之间的剪切作用，实现双重乳液的生成。通过调节各相流速可以实现多核包裹。通过对毛细管进行表面改性，可以应用于固-水-油及固-水-水双重乳液体系。

内相圆形毛细管、外相方形毛细管和方管均为玻璃毛细管，有利用通过简单的处理，实现微通道的表面改性。

有益效果：

本发明公开了一种用于固体内核包裹的毛细管微流控装置，具有以下有益效果：

1.本发明采用微流控技术制备单分散含固核双重乳液，通过构建共轴聚焦式乳化结构，固体球在运动过程中被牢牢锁定，为有效且高质量包裹固体核提供了一种新方法。

2.本发明采用嵌套结构，内相毛细管与外相毛细管的外径与方形连接管的内棱长匹配，可以实现玻璃毛细管同轴化固定；其中，内相及外相毛细管处于乳化区内的部分均采用锥度端口，利于实现聚焦式结构；同时采用渐括微通道，提供固核剪切力，促进乳液形成。

3.本发明可以实现固-水-油及固-油-水双重乳液体系，拓展了固体球包裹技术的使用范围。

4.本发明通过调节各相流速，可以精确控制双重乳液的尺寸和内部结构，实现固体球的多核包裹，可以用于构造更复杂的双重乳液体系。

5.本发明采用组装法构建微流控芯片，操作简单，易于实现，通过常规手段就可以构建微流控芯片，易于实现大批量、工业化生产。

附图说明

图1一种用于固体内核包裹的毛细管微流控装置示意图。

图2微流控芯片示意图。

图3毛细管组装结构示意图。

图4是连接毛细管与外相毛细管的连接示意图。

图5固体内核单核包裹实施例1示意图。

图6固体内核二核包裹实施例2示意图。

图7固体内核三核包裹实施例3示意图。

图8固体内核四核包裹实施例4示意图。

图中1.内相注射泵；2.外相注射泵；3.微流控芯片；4.乳液收集器；5.载玻片；6.点胶针头；7.内相圆形毛细管；8. 方管；9.外相圆形毛细管；10.内相溶液；11.固核；12.外相微通道进口。

具体实施方式:

下面结合附图对本发明的较佳实例进行更进一步的详细说明，以使本发明的优点和特征能够更易于被本领域技术人员理解：

图1给出了一种用于固体内核包裹的毛细管微流控装置示意图，具体结构包括内相注射泵1；外相注射泵2；微流控芯片3；乳液收集器4。内相注射泵1与微流控芯片3的内相微通道进口相连，外相注射泵2与微流控芯片3的外箱微通道相连，乳液收集器4与微流控芯片3的出口微通道相连。

图2给出了微流控芯片示意图，具体结构包括载玻片5；点胶针头6；内相毛细管7；方管8；外相毛细管9。内相圆形毛细管7和外相圆形毛细管9从方管8的两侧插入并构成乳化区，整体固定于载玻片5的表面，然后用点胶针头6，分别将方管8与内相圆形毛细管7和外相圆形毛细管9之间的接头处封住，内相圆形毛细管7构成内相微通道，外相圆形毛细管9与方管8之间的点胶针头6外相圆形毛细管9成外相微通道。

图3、图4给出了毛细管组装结构示意图，具体结构内相毛细管7；方管8；外相毛细管9。内相圆形毛细管7和外相圆形毛细管9从方管8的两侧插入并构成乳化区，内相圆形毛细管7和外相圆形毛细管9的外径与方管8内棱长匹配，即d₂=l-m，D₂=l-m，其中，m=5-35μm，以保证组装所述的内相毛细管和所述的外相毛细管共轴；乳化区中，内相圆形毛细管7和外相圆形毛细管9的均为锥形，锥度为k，其中15°<k<60°并且间隔距离为n，0.5d₂<n<1.5d₂，构成聚焦式结构。

图5-图8给出了固体内核包裹的4个实施例示意图，下面结合附图，进行具体说明。

一种用于固体内核包裹的毛细管微流控装置的实施例具体实施步骤：

(1)配制相关溶液，针对固-水-油体系，固体球可选用PS固体球，内相水溶液可选用2%PVA溶液，外相油溶液可选用粘度为50CS的二甲基硅油。针对固-油-水体系，固体球可选用PS固体球，内相油溶液可选用乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA），外相水溶液可选用2%的PVA水溶液；

(2)针对固-水-油体系，将方管8和外相圆形毛细管9进行疏水处理；针对固-油-水体系，将方管8和外相圆形毛细管9进行亲水处理；

(3)构建毛细管微流控芯片，完成装置搭建；

(4) 将固体球及配制的溶液对应内相、外相流通道注入，并调节各相流量，实现固体球的单包裹以及多包裹；

(5) 对生成的双重乳液进行收集，获得包裹固体球后的双重乳液。

图5给出了固体内核单核包裹实施例1，通过内相注射泵1注入的固体内核以及内相水/油溶液，被通过注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，实现固体球单核包裹。实例中采用的内相及外向流量分别为：0.5mL/h,5mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 17mL/h (固-油-水)。

图6给出了固体内核二核包裹实施例2，通过内相注射泵1注入的固体内核以及内相水/油溶液，被通过注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，实现固体球二核包裹。实例中采用的内相及外向流量分别为：0.5mL/h,2mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 9mL/h (固-油-水)。

图7给出了固体内核三核包裹实施例3，通过内相注射泵1注入的固体内核以及内相水/油溶液，被通过注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，实现固体球二核包裹。实例中采用的内相及外向流量分别为：0.5mL/h,1.5mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 7.5mL/h (固-油-水)。

图8给出了固体内核四核包裹实施例4，通过内相注射泵1注入的固体内核以及内相水/油溶液，被通过注射泵2注入的外相油/水溶液剪切，实现固体球二核包裹。实例中采用的内相及外向流量分别为：0.5mL/h,1mL/h (固-水-油)；0.5mL/h, 6mL/h (固-油-水)。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。