专利名称：基于微流控芯片制备微米级海藻酸钙丝的方法及专用芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于新型材料技术与微流控技术的交叉领域，具体涉及一种基于微流控芯片制备微米级海藻酸钙丝的方法及专用芯片。
背景技术：
本发明以微流控技术为依托。微流控芯片(microfluidic chip)又称芯片实验室 (lab on a chip)，指的是把常规实验室基本操作单元集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规实验室的各种功能的一种技术。
海藻酸钠是由褐藻中提取的天然多糖碳水化合物。海藻酸钠的分子链上含有大量的羟基和羧基，用氯化钙溶液作为交联剂，可形成交联的海藻酸钙聚合物，含水率高，具有好的良好的生物降解性和生物相容性。其温和的溶胶凝胶过程使海藻酸钙适于作为释放或包埋药物、蛋白及细胞的微胶囊。
目前国内外均有利用海藻酸钙凝胶作为细胞培养的基质以研究细胞行为的报道， 其中包括将细胞培养于海藻酸钙微球、微丝或片层表面的二维培养的研究；将细胞包埋于海藻酸钙内部进行细胞三维培养的研究；将海藻酸钙进行化学改性或掺杂其他材料进行细胞二维及三维培养的研究。细胞均表现出了与常规平面培养所不同的生理生化特性。海藻酸钙凝胶可以成为良好的组织工程材料，作为支架，其可在体外构建出类似于活体内的细胞生存环境，为细胞行为研究，体外组织构建提供了一个很好的基质。
但到目前为止，利用海藻酸钠溶液来制备形貌及组成更加多样，功能更加强大的海藻酸钙凝胶仍然是一件非常具有挑战性工作。利用微流控芯片技术的优势，可在海藻酸钙水凝胶材料中可控的集成更多的功能单元，可制备具有更加复杂形态结构及更多功能单元的海藻酸钙材料。利用微流控芯片技术制备的海藻酸钙水凝胶材料形貌更加可控，成品性质更加均一，能够实现更加多样化的需求。相对于传统方法，具有不可比拟的优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微流控芯片制备微米级海藻酸钙丝的方法及专用芯片，本发明制备过程稳定，产物形貌均一，方法简单。
本发明提供了一种微流控芯片，该微流控芯片由上、下层芯片组成，两层均为 PDMS，上层芯片含液体流路及气泵阀控制单元，下层芯片为空白PDMS ;两层PDMS通过氧等离子表面处理后封合，封合后通入海藻酸钠溶液以维持通道内表面亲水性。芯片由两个系统组成，分别为液体流路系统和气泵阀控制系统。液体流路系统内包含多个液滴产生单元和一个液滴间距控制单元，气泵阀控制系统内包含多个气泵阀控制单元。芯片具有多个海藻酸钠连续相溶液的入口、多个油相分散相溶液的入口、一个总出口、一个T型通道结构、 一个十字形夹流通道结构；每个油相分散相溶液的通道两侧皆有一个独立的气泵阀控制单元；所用油相分散相为不溶于水的液体或乳液，液体内可溶解各种溶质。油相分散相溶液的入口，油相分散相溶液的通道，及其两侧的气泵阀控制单元可以适当增减，以增加或减少油相分散相的种类。本发明提供的微流控芯片，所述封合后的芯片，用锋利的刀片切割芯片总出口通道处，切割面与出口通道相垂直，以产生光滑平整的出口 PDMS截面。有利于海藻酸钙微丝稳定均勻的形成。本发明还提供了基于所述微流控芯片制备微米级海藻酸钙丝的方法，将芯片平放，芯片出口浸没在氯化钙溶液中，利用四氟管将注射器联通到微流控芯片入口，利用注射泵推动注射器，利用气泵阀单元控制油相分散相液滴的形成，含有油相分散相液滴的海藻酸钠溶液最终从芯片总出口处流出，在氯化钙溶液中固化成海藻酸钙丝。本发明提供的制备微米级海藻酸钙丝的方法，油相分散相液滴产生单元为T型通道，分散相通道两侧具有气泵阀控制单元，通过单片机程序控制气泵阀的开启和关闭来实现对油相分散相通道的周期性挤压，进而控制油相分散相液滴的形成大小及频率，通过对多个分散相通道两侧的气泵阀控制单元进行编程控制，可对分散相液滴进行高度可控的排列。本发明提供的制备微米级海藻酸钙丝的方法，芯片在液滴产生单元下游具有控制油相分散相液滴间距的十字形夹流液滴间距控制单元，可控制油相分散相液滴间距，实现液滴间距高度可控。本发明提供的制备微米级海藻酸钙丝的方法，此芯片可形成包裹不同成分小球的海藻酸钙微丝，当小球为光聚合高聚物或热聚合高聚物时，可将形成的包裹有小球的海藻酸钙丝紫外光照或加热，使高聚物小球聚合成固态。如此将不同特性的材料整合在一起。海藻酸钙丝在IOx PBS缓冲液中或EDTA溶液中可溶解，因此可释放内部包裹的小球。本发明提供的制备微米级海藻酸钙丝的方法，形成海藻酸钙微丝后，对海藻酸钙微丝风干脱水处理可形成具有结节结构的海藻酸钙微丝。此微丝在水中不会溶胀，保持结节形态。本发明有以下优点(I)利用气泵阀单元以主动的方式形成分散相液滴，是液滴排列和大小高度可控。(2)利用下游十字夹流通道对液滴间距进行可控调节。(3)微丝形成方法简单，直径可通过出口通道宽高进行调整；微丝形成快速稳定。(4)可形成复杂的杂化材料，形成方法简易。(5)可形成具有特殊结节结构的海藻酸钙微丝。(6)微丝内部包裹的小球可释放。
图I :芯片示意图，其中上层为液体流路及气泵阀控制单元图，下层为空白PDMS ；图2 :气泵阀控制单元，两侧对称结构为分散相通道两侧的气泵阀控制单元；图3:芯片通道出口；图4 :十字型液滴间距控制单元；图5 :利用所述芯片制备的内部包裹有矿物油液滴的海藻酸钙微丝，微丝直径 200um左右。
具体实施例方式实施例I :两种不同颜色的矿物油液滴在海藻酸钙微丝内相间排列。向矿物油内分别加入苏丹橙和苏丹黑以对其染色。将两种不同颜色的矿物油分别通入到芯片液滴分散相入口 I和入口 2。对气泵阀控制器编程，两气泵阀控制单元均每隔400ms对分散相通道挤压一次，两单元挤压时间间隔200ms，设定3个连续相海藻酸钠溶液的流速为lul/min，十字型液滴间距调节单元的海藻酸钠溶液连续相流速为lul/min。所用海藻酸钠溶液浓度为2% (w/w)，将芯片平放，出口处浸没在浓度为4% (w/w)氯化钙溶液中，出口宽、高皆为200um。可形成内部包含有橙、黑相间矿物油液滴的海藻酸钙微丝。通过调节十字形液滴间距调节单元的溶液流速，可控制液滴间间距。实施例2 两种不同成分的液滴在海藻酸钙微丝内相间排列。将N0A63光刻胶液体及FC-40氟碳油分别通入到芯片液滴分散相入口 I和入口
2。对气泵阀控制器编程，两气泵阀控制单元均每隔400ms对分散相通道挤压一次，两单元挤压时间间隔200ms，设定3个连续相海藻酸钠溶液的流速为lul/min，十字型液滴间距调节单元的海藻酸钠溶液连续相流速为lul/min。所用海藻酸钠溶液浓度为2% (w/w)，将芯片平放，出口处浸没在浓度为4% (w/w)氯化钙溶液中，出口宽、高皆为200um。可形成内部包N0A63、FC-40相间液滴的海藻酸钙微丝。通过调节十字形液滴间距调节单元的溶液流速，可控制液滴间间距。将海藻酸钙微丝收集悬空，紫外光下曝光并风干，可得到内部包含有N0A63光刻胶固体微球及FC-40液体微球的结节形状海藻酸钙微丝。
权利要求
1.一种微流控芯片，其特征在于该微流控芯片由上、下两层组成，两层均为PDMS材料，上层含液体流路及气泵阀控制单元，下层为空白PDMS ； 该芯片具有两个海藻酸钠连续相溶液的入口、多个油相分散相溶液的入口、一个总出口、一个T型通道结构、一个十字形夹流通道结构；每个油相分散相溶液的通道两侧皆有一个独立的气泵阀控制单元；十字形夹流通道结构位于T型通道结构的下游。
2.按照权利要求I所述的微流控芯片，其特征在于所述油相分散相溶液的入口，油相分散相溶液的通道，及其两侧的气泵阀控制单元可以适当增减，以增加或减少油相分散相的种类。
3.按照权利要求I所述的微流控芯片，其特征在于所述上下两层PDMS用表面等离子处理的方法进行封合，封合后向液体流路内灌入海藻酸钠溶液以维持通道内表面的亲水性。
4.按照权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于所述封合后的芯片，用锋利的刀片切割芯片总出口通道处，切割面与出口通道相垂直，以产生光滑平整的出口 PDMS截面。
5.按照权利要求I所述的微流控芯片，其特征在于所述T型通道结构是形成液滴的芯片结构；所述十字形夹流通道结构是控制油相分散相液滴间间距的结构。
6.基于权利要求I所述微流控芯片制备微米级海藻酸钙丝的方法，其特征在于将芯片平放，芯片出口浸没在氯化钙溶液中，利用四氟管将注射器联通到微流控芯片入口，利用注射泵推动注射器，利用气泵阀单元控制油相分散相液滴的形成，含有油相分散相液滴的海藻酸钠溶液最终从芯片总出口处流出，在氯化钙溶液中固化成海藻酸钙丝。
7.按照权利要求6所述制备微米级海藻酸钙丝的方法，其特征在于所述油相分散相液滴的形成是通过单片机程序控制的气泵阀的开启和关闭实现对油相分散相溶液通道的周期性挤压来控制的；所述油相分散相液滴的高度可控的排列是通过对多个油相分相溶液通道两侧的气泵阀控制单元进行编程控制来实现的。
8.按照权利要求6所述制备微米级海藻酸钙丝的方法，其特征在于所述海藻酸钙丝内油相分散相液滴的大小、间距是通过调节气泵阀的开关频率，开关时间及海藻酸钠连续相溶液流速及油相分散相溶液的流速来控制的；所述海藻酸钙丝的直径是通过控制芯片总出口通道的宽度、高度来实现的。
9.按照权利要求6所述制备微米级海藻酸钙丝的方法，其特征在于所述海藻酸钙微丝形成后，对海藻酸钙微丝风干脱水处理形成具有结节结构的海藻酸钙微丝。
10.按照权利要求6所述制备微米级海藻酸钙丝的方法，其特征在于所述油相分散相液滴为光聚合胶时，形成海藻酸钙微丝后，对油相分散相液滴进一步加工形成固态小球。
全文摘要
本发明提供了一种基于微流控芯片制备微米级海藻酸钙丝的方法及专用芯片。利用该芯片及方法，可制备直径最小为20um的海藻酸钙微丝；可制备内部包涵有球形结构其他材料分散相的海藻酸钙微丝；可制备具特殊形态结构的海藻酸钙微丝。利用该微流控芯片上独立的液路及气路控制系统，结合微量注射泵及气体泵阀系统，可对上述海藻酸钙微丝直径进行控制；可高度可控的排列微丝内具球形结构的材料分散相——包括间距，大小，成分，顺序；可对微丝特殊结构进行调节。本发明提供的方法及平台可高度可控的制备海藻酸钙微丝，制备过程稳定，产物形貌均一，方法简单。
文档编号B01J19/00GK102974410SQ20121043970
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月6日 优先权日2012年11月6日
发明者秦建华, 于跃, 姜雷 申请人:中国科学院大连化学物理研究所