用于快速生产微滴的设备和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2013年5月14日提交的、标题为"RapidProductionofDroplets" 的美国临时专利申请序列No. 61/823, 175的权益，该专利申请通过引用全部并入本文。
[0003] 政府资助
[0004] 本发明各个方面的研究至少部分由美国国家科学基金会赞助，批准号为 DMR-0820484和DMR-1006546。美国政府对本发明有一定权利。
技术领域
[0005] 本发明总体上涉及一种流体微滴的生产。
【背景技术】
[0006] 乳剂在日常生活中普遍存在；许多食品（例如牛奶、蛋黄酱或沙拉酱）和某些类型 的油漆都是乳剂。单一乳剂的微滴还能够用作模板以制造微粒，所述微粒用作用于运送目 的的载体或用作分层2D和3D材料的构建块。特别是如果用作模板以制造微粒子或胶囊， 重要的是，密切控制微滴的大小和组分。这些参数能够被控制的程度由组装路线决定；最广 泛使用的技术包括块乳化、膜滤和微流组装。块乳化技术允许以较高产量地生产乳剂，这使 其对于工业应用是有吸引力的。然而，对所产生的微滴的大小的控制较差，导致较广的大小 分布。相反，微流组装使得能够组装单分散微滴并且对微滴的大小具有较好的控制；这通过 每次单个微滴的可控成形和微滴制造器实现。然而，其代价在于产量较低。
[0007] 尽管微流技术提供了对微滴大小和组分的较好控制，但是低生产量限制了微流技 术在工业上的应用并且限制用来生产用于组装新型分层2D和3D材料的微粒构建块。对于 许多应用，膜乳化技术存在有吸引力的折中：该技术的生产量显著高于微流技术所达到的 生产量，而微滴的大小分布显著低于通过块乳化路线生产的微滴的大小分布。然而，通过膜 乳化技术生产的微滴的多分散性随着微滴的平均大小的增加而增加。因此，以高生产量生 产单分散微滴仍是主要挑战。
【发明内容】
[0008] 本发明大体涉及流体微滴的生产。在一些情况中，本发明的主题涉及相关产品、对 特定问题的替代性解决方案、和/或一个或多个系统和/或物品的多种不同用途。
[0009] 在一个方面，本发明总体上涉及一种设备，例如，微流设备。根据一组实施例，该设 备包括第一微流通道、第二微流通道、和每个均使第一微流通道与第二微流通道相连接的 至少五个侧微流通道。在一些实施例中，第一微流通道的横截面面积是所述至少五个侧微 流通道的最小横截面面积的至少20倍。
[0010] 根据另一组实施例，设备包括长度为至少约5毫米的第一微流通道、基本平行于 第一微流通道的第二微流通道、和每个均使第一微流通道与第二微流通道相连接的至少五 个侧微流通道。
[0011] 在再另一组实施例中，设备包括长度为至少约5毫米的第一微流通道、第二微流 通道、每个均使第一微流通道与第二微流通道相连接的至少五个侧微流通道、第三微流通 道、和每个均使第二微流通道与第三微流通道相连接的至少五个侧微流通道。
[0012] 在又另一组实施例中，设备包括第一微流通道、第二微流通道、每个均使第一微流 通道与第二微流通道相连接的至少五个侧微流通道、和连接至所述至少五个侧微流通道中 的每一个的多个辅助微流通道。
[0013] 在另一组实施例中，设备包括第一微流通道、第二微流通道、和每个均使第一微流 通道与第二微流通道相连接的至少五个侧微流通道。在一些情况中，所述至少五个侧微流 通道中的每一个的长度在侧微流通道的平均长度的约90%到约110%之间。
[0014] 根据另一组实施例，设备包括第一微流通道、第二微流通道、和每个均使第一微流 通道与第二微流通道相连接的至少五个侧微流通道。在一些情况中，所述至少五个侧微流 通道中的每一个的横截面面积在侧微流通道的平均横截面面积的约90%到约110%之间。
[0015] 根据再另一组实施例，设备包括第一微流通道、第二微流通道、和每个均使第一微 流通道与第二微流通道相连接的至少五个侧微流通道。在一些情况中，所述至少五个侧微 流通道中的每一个的容积在侧微流通道的平均容积的约90%到约110%之间。
[0016]在又另一组实施例中，设备包括第一微流通道、第二微流通道、和至少五个侧微流 通道，每个侧微流通道均具有基本相同的尺寸，并且每个侧微流通道均使第一微流通道与 第二微流通道相连接。
[0017] 在另一方面，本发明总体上涉及一种方法。在一组实施例中，所述方法包括使第一 微流通道中的第一流体通过至少五个侧微流通道流动到包含在第二微流通道中的第二流 体内。在一些情况中，第一流体在第二微流通道内形成多个微滴，每个微滴的特征尺寸在所 述多个微滴的平均特征尺寸的约90%到约110%之间。
[0018] 根据另一组实施例，所述方法包括使第一微流通道中的第一流体通过至少五个侧 微流通道流动到包含在第二微流通道中的第二流体内的步骤。在一些情况中，所述至少五 个侧微流通道中的每一个对第一流体的流动阻力在第一流体通过侧微流通道的平均流动 阻力的约90%到约110%之间。
[0019]在又另一组实施例，所述方法包括步骤：使第一微流通道中的第一流体通过至少 五个侧微流通道流动到包含在第二微流通道中的第二流体内，其中，第一流体在第二微流 通道内形成多个微滴；并且使包含在第二微流通道内的所述多个微滴通过至少五个侧微流 通道流动到包含在第三微流通道中的第三流体内，其中，所述多个微滴形成包含在第三流 体内的多个双重乳剂微滴。
[0020] 根据再另一组实施例，所述方法包括使第一微流通道中的第一流体通过至少五个 侧微流通道流动到包含在第二微流通道中的第二流体内、同时使第三流体流入到所述至少 五个侧微流通道中的每一个中的步骤。在某些实施例中，第一流体形成被第三流体包围的 微滴，第三流体形成被第二流体包围的微滴。
[0021] 在另一方面，本发明涵盖制造本文所述的一个或多个实施例（例如，本文所讨论 的设备）的方法。在另一方面，本发明涵盖使用本文所述的一个或多个实施例（例如，本文 所讨论的设备）的方法。
[0022] 结合附图考虑，通过下文对本发明的各个非限制性实施例的详细描述，本发明的 其他优点和新颖性特征将变得显而易见。如果本说明书与通过引用并入本文的文献存在冲 突和/或矛盾的公开内容，则以本说明书为准。如果通过引用并入本文的两个或更多个文 献相对于彼此存在冲突和/或矛盾的公开内容，则以具有在后有效日期的文献为准。
【附图说明】
[0023] 参照附图，以示例的方式对本发明的非限制性实施例进行描述，所述附图是示意 性的并且不旨在按比例绘制。附图中示出的相同或相似的部件典型地由单一附图标记表 示。出于清楚的目的，不是所有部件都在每个附图中标注出，在示出对于本领域技术人员了 解发明来说不必要时，也没有示出本发明的每个实施例的所有部件。附图中：
[0024] 图1A-图1C不出了根据本发明的某些实施例的各种设备；
[0025] 图2A-图2B是根据本发明的另一实施例的设备的光学显微图像；
[0026] 图3A-图3B示出了在本发明的一些实施例中对微滴大小的控制；
[0027]图4示出了在本发明的另一实施例中侧通道的宽度与微滴大小的关系；
[0028] 图5A-图5B不出了根据本发明的某些实施例的微滴大小；
[0029] 图6A-图6B示出了在本发明的又一实施例中流率对微滴的影响；
[0030] 图7A-图7B示出了在本发明的又另一实施例中流率对微滴的影响；
[0031] 图8示出了在本发明的另一实施例中的微流通道；
[0032] 图9A-图9B示出了在本发明的一个实施例中对微滴大小的控制；
[0033] 图10A-图10B示出了在本发明的另一实施例中对微滴大小的控制；
[0034] 图11A-图11B示出了在本发明的又另一实施例中对微滴大小的控制；
[0035] 图12A-图12B示出了在本发明的又一实施例中对微滴大小的控制；
[0036]图13示出了在本发明的又一实施例中的微流装置；
[0037] 图14A-图14B不出了根据本发明的另外的实施例的各种设备；
[0038] 图15A-图15B示出了在本发明的又另一实施例中的设备；
[0039] 图16A-图16F示出了在本发明的又一实施例中的设备；
[0040] 图17A-图17C示出了在本发明的某些实施例中微滴的形成；
[0041] 图18A-图18D示出了在本发明的一些实施例中微滴的产生；
[0042] 图19A-图19E示出了在本发明的一些实施例中压力对微滴产生的影响；
[0043] 图20A-图20J示出了在本发明的某些实施例中粘度对微滴产生的影响；
[0044] 图21A-图21D示出了在本发明的另一实施例中微滴的产生；
[0045] 图22A-图22D示出了在本发明的某些实施例中流率的影响。
【具体实施方式】
[0046] 本发明总体涉及流体微滴的产生。本发明的某些方面总体涉及用于通过使流体从 第一通道通过多个侧通道流动到第二通道而产生微滴的系统和方法。离开侧通道进入第二 通道的流体可以形成多个微滴，并且在一些实施例中，可以以极高的微滴产生速率形成多 个微滴。此外，在一些方面，也可以形成双重或更多重的多重乳剂。在一些实施例中，这可 以通过直接、同步的产生方法和/或通过形成单一乳剂而形成多重乳剂来实现，所述单一 乳剂被收集并再注入到第二微流装置中以形成双重乳剂。
[0047] 现在，参照图1A，对本发明的实施例的一个示例进行描述。正如会在下文更详细 地讨论的，在其它实施例中，也可以使用其它构造。图1中，设备5包括第一通道10、第二 通道20、和多个侧通道25,所述多个侧通道每个都使第一通道与第二通道相连接。这些通 道中的一些或全部可以是微流通道。第一流体12可以通过第二通道10进入，而第二流体 22通过第二通道20进入。第一流体能够流经侧通道进入第二通道20。如果第一流体和第 二流体是至少基本不混溶的，那么离开侧通道的第一流体可以在第二通道内形成单独的微 滴，如微滴30所示。此外，在某些实施例中，第一流体自身可以包含乳剂。
[0048] 在一些情况中，侧通道每个都可以具有基本相同的尺寸，S卩，侧通道可以具有基本 相同的容积、横截面面积、长度、形状等。例如，第一通道10和第二通道20中的每个可以是 基本笔直的和平行的，和/或第一和第二通道可以不必是笔直的、但在第一和第二通道之 间可以具有较为恒定的分隔距离，使得侧通道中的一些或全部在连接第一通道与第二通道 时具有基本相同的形状或其它尺寸。
[0049] 如上所述，从第一通道流经侧通道并且进入第二通道的流体可以形成包含在第二 流体内的多个第一流体微滴。在一些情况中，例如，如果侧通道具有基本相同的横截面面积 和/或长度和/或其它尺寸，微滴可以具有基本相同的大小或特征尺寸。以这种方式，根据 本发明的某些实施例，可以形成基本单分散的多个微滴。
[0050] 然而，尽管图1A所示的侧通道示出为笔直的并且带有恒定的横截面面积，但是这 仅是作为示例，在其它实施例中，侧通道不需要是笔直的，和/或侧通道可以不必具有恒定 的横截面面积。例如，侧通道可以在通道内的不同位置处具有不同的横截面面积。此外，在 某些实施例中，例如，如图8所示，可以存在与这些通道相连的其它通道。此外，尽管侧通道 在图1A中示出为规则地周期性间隔开，但这不是要求的，在其他情况中，侧通道也可以以 其它方式间隔开。例如，在一组实施例中，相邻通道之间的间隔可以是基本相同的、和/或 侧通道的横截面尺寸或面积可以是基本相同的大小，以产生具有基本相同的大小或特征尺 寸（例如，如本文讨论的）的微滴。
[0051] 在一组实施例中，侧通道的最小横截面面积基本小于第一或第二通道的横截面面 积。例如，第一通道的横截面面积可以是侧通道的最小横截面面积的至少10倍。在一些 情况中，第一通道的高度和侧通道的高度可以是不同的，例如，以产生这种不同的横截面面 积。在下文详细讨论了其它比例或构造。在不希望受限于任何理论的情况下，应当认为由 于侧通道的横截面面积基本小于第一或第二通道的横截面面积，因此流体流动的阻力主要 由侧通道的尺寸主导，而不是由第一或第二通道的尺寸主导。相应地，如果侧通道具有基本 相同的尺寸，那么侧通道每个都应当对流体流动产生基本相同的阻力，相应地，所产生的微 滴基本相同。因此，至少根据本发明的一些实施例，通过控制各因素例如控制经过侧通道的 总压降基本恒定，可以产生基本单分散的多个微滴。
[0052] 此外，应注意的是，由于在一些实施例中，流体流动阻力是微滴产生的主要因素， 其它因素（例如连续相的粘度）对微滴产生具有较小影响。例如，如图21所示，连续相的 粘度基本不影响平均微滴大小，尽管微滴的多分散性可能增大。
[0053] 还应理解的是，第一通道和第二通道可以具有任何合适的长度。在一些实施例中， 可以使用较长的通道，例如，使得在第一和第二通道之间可以存在较多数量的侧通道，这可 以用于产生较多数量的微滴和/或以较大速率产生微滴。例如，在第一通道和第二通道之 间存在的侧通道的数量可以为至少1〇〇、500、1000个等等。此外，在某些实施例中，第一和 /或第二通道的长度可以为至少5mm、至少lcm、至少2cm、至少3cm等等。
[0054] 此外，尽管在图1A中仅示出了两个通道，这只是出于解释目的。在本发明的其他 实施例中，其他通道和/或其他构造也是可能的。例如，在图1B中，除了第一通道10、第二 通道20和侧通道25外，在第一通道的相对侧存在第三通道30,所述第三通道由每个均连接 第一通道与第三通道的额外的侧通道连接。这些额外的侧通道可以与连接第一通道和第二 通道的侧通道相同或不同，并且可以用于进一步增加所生产的微滴的数量和/或速率。
[0055] 上述讨论是能够用于生产微滴的本发明的一个实施例的非限制性示例。然而，其 他实施例也是可能的。相应地，更普遍地，如下文讨论的，本发明的各个方面涉及用于微滴 的各种系统和方法。
[0056] 本发明的一个方面总体上涉及用于生产微滴的系统或设备。在一些情况中，微滴 可以是相对单分散的。在一组实施例中，通过使第一流体从第一通道通过多个侧通道流动 到包含在第二通道中的第二流体而生产微滴。在本发明的各个实施例中，第一通道、第二通 道和侧通道可以是微流通道，不过在一些情况中，第一通道、第二通道和侧通道不必都是微 流通道。下文更详细地呈现出微流通道的各种性质的示例和细节，例如，大小、尺寸、可选的 涂层等等。此外，如下文讨论的，在一些情况中，第一流体和第二流体可以是基本不混溶的。
[0057] 用于包含第一流体的第一通道可以具有任何合适的长度。在一组实施例中，第一 通道是基本笔直的，例如，如图所示。然而，在其他实施例中，第一通道可以包含一个或多个 曲线部、弯曲部等等。在一些情况中，第一通道可以具有蛇形或螺旋形构造。此外，在一些 实施例中，第一通道可以包括一个或多个分支部，所述分支部中的一些或全部可以包含连 接第一通道与第二通道（或在一些实施例中，连接第一通道与多于一个的第二通道）的侧 通道。如本文讨论的，第一通道还可以连接至流体源（例如，第一流体源）。
[0058] 第一通道可以具有任何合适的长度。在一些情况中，通道的长度可以测量成包括 第一通道的包含连接第一通道与一个或多个第二通道的侧通道）的区域，包括第一通道的 分支部。因此，例如，如果第一通道具有"Y"型或"T"型构造，那么第一通道的总长度可以 包括两个分支部（如果两个分支部每个都包含侧通道）。在一组实施例中，第一通道（包含 侧通道）的总长度可以为至少约1_、至少约2_、至少约3_、至少约5_、至少约7_、至少 约lcm、至少约1. 5cm、至少约2cm、至少约2. 5cm、至少约3cm、至少约5cm、至少约7cm、至少 约10cm等等。然而，在一些情况中，第一通道（包含侧通道）的总长度可以为至多约10cm、 至多约7cm、至多约5cm、至多约3cm、至多约2. 5cm、至多约2cm、至多约1. 5cm、至多约lcm、 至多约7mm、至多约5mm、至多约3mm、或至多约2mm。在一些情况中，任何这些总长度的组合 也是可能的。
[0059] 第一通道的横截面面积可以是基本恒定的，或者在一些实施例中可以例如根据沿 第一通道内的流体流动方向的位置而变化。根据一组实施例，第一通道的平均横截面面积 可以是至少约1000平方微米、至少约2000平方微米、至少约3000平方微米、至少约5000 平方微米、至少约10000平方微米、至少约20000平方微米、至少约30000平方微米、至少 约50000平方微米、至少约100000平方微米、至少约200000平方微米、至少约300000平方 微米、至少约500000平方微米、至少约1000000平方微米等等。然而，在一些情况中，第二 通道的平均横截面面积可以是至多约1000000平方微米、至多约500000平方微米、至多约 300000平方微米、至多约200000平方微米、至多约100000平方微米、至多约50000平方微 米、至多约30000平方微米、至多约2