微流体混合器中的低复杂性流量控制的制作方法

要求2017年1月18日提交的美国临时申请62/447,653的优先权。

背景技术：

(a)领域

所公开的主题大体上涉及微流体混合平台内的液压装置，用于混合用于生物研究或医学研究的材料。

多年来，聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)用于制造微流体混合平台。pdms具有易于操作的独特流动特性，并且对生物物质来说pdms被认为是“安全的”。然而，pdms不是适合大规模生产的标准注塑成型加工中的优选材料。

“毛细管作用”是由于流体和通道壁之间的表面相互作用引起的力而使流体移动通过通道的作用，并且当体积非常小且通道非常窄时，“毛细管作用”是重要的。如果通道的直径足够小，则表面张力(由液体内的内聚力引起)以及液体与容器壁之间的粘合力的组合推动液体，甚至逆着重力推动液体。

在原型pdms装置中，水溶液的“毛细管泵送”是不重要的，因为pdms具有“高接触角”。接触角是液-气界面与固体表面相遇的角度，并且量化液体对一表面的润湿性。毛细管作用(有时被称为毛细管、毛细管运动或毛细作用)是指液体在狭窄空间内流动而不需要类似重力的外力的辅助或甚至与类似重力的外力相反地流动的能力。这种效果可以在液体在漆刷的毛之间的向上引出、在细管中、在多孔材料(诸如纸和石膏)中、在某些非多孔材料(诸如沙和液化碳纤维)中、或在细胞中看到。该效果是由于液体和周围固体表面之间的分子间作用力而发生的。

对于用于微流体混合器的微流体混合平台的规模化生产，必须从pdms改变构造材料。适于大规模制造的材料的“接触角”低于pdms的“接触角”，使得在施加压力之前，试剂通过微通道进行不希望的毛细管泵送。由于不受控制和次优的混合，毛细管泵送降低了所产生的纳米颗粒的质量。

(b)相关技术

在美国专利no.6,431,212中教导了微型机械阀的示例。该专利描述了一种由柔性层制成的阀，该柔性层允许单向流过微流体通道用于引导流体通过微型制造的分析盒(analysiscartridge)。然而，这种类型的阀由于其极小的尺寸和复杂性而难以制造，并且对于规模化而言是不实际的。

在klein和weigl的美国专利公布no.20020003001中提出了一种控制微流体通道中的流体运动的非机械装置。该公布公开了一种用于微流体诊断和分析目的的表面张力控制阀，但没有清楚地描述实现其的材料和设计。

由于所需的制造方法，上述概念不适于当前情况。制造的规模阻碍了已知解决方案的应用。

技术实现要素：

根据本发明的实施方式，提供了一种具有块状体的微流体混合平台，所述微流体混合平台包括入口井、具有长度的微通道、在所述长度中的点处的被动毛细管阀、混合特征、以及出口，其中，所述被动毛细管阀防止沿所述微通道的毛细管流动。在实施方式中，块状体包括能够机器制造的刚性基质。

在实施方式中，被动毛细管阀包括相对于微通道中的总流体流动的方向以至少90度并且至多179度的角度的微通道加宽部。在其它实施方式中，微通道加宽部相对于微通道中的总流体流动的方向成至少95度并且至多160度的角度。在其它实施方式中，微通道加宽部相对于流体流动的方向成至少100度并且至多150度的角度。在另外的实施方式中，微通道加宽部相对于流体流动的方向成至少105度并且至多145度的角度。在其它实施方式中，微通道加宽部相对于流体流动的方向成至少110度并且至多140度的角度。在另外的实施方式中，微通道加宽部相对于流体流动的方向成至少120度并且至多130度的角度。

在本发明的实施方式中，被动毛细管阀是相对于流体流动的方向的微通道加宽部，并且所述角度是渐变的并且具有0.015mm至0.05mm的最小曲率半径。在其它实施方式中，该角度是渐变的并且具有约0.08mm的最小曲率半径。

在实施方式中，被动毛细管阀在混合平台上是单一的。在实施方式中，被动毛细管阀是复数的。

在实施方式中，被动毛细管阀是混合特征的上游。在其它实施方式中，被动毛细管阀是混合特征的下游。在其它实施方式中，被动毛细管阀是混合特征的上游。

根据本发明的实施方式，提供了一种通过在微通道中的一点处包括负微通道壁区段来防止微流体混合平台中的回流的方法。

在实施方式中，所述负微通道区段存在于微流体平台上一次。在其它实施方式中，所述负微通道区段存在于微流体平台上两次。在其它实施方式中，所述负微通道区段存在于微流体平台上三次。在其它实施方式中，所述负微通道区段存在于微流体平台上四次或更多次。

在实施方式中，负微通道壁区段是混合特征的上游。在其它实施方式中，负微通道壁区段是混合特征的下游。在实施方式中，负微通道壁区段可以为上游和下游二者。

如附图所示，根据以下所选实施方式的详细描述，本发明主题的特征和优势将变得更加明显。如将认识到的，所公开和要求保护的主题能够在各个方面进行修改，所有的修改都不脱离权利要求的范围。因此，附图和描述本质上被认为是说明性的而不是限制性的，并且在权利要求中阐述了主题的全部范围。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，本发明的其它特征和优势将变得显而易见，其中：

图1a示出了被动毛细管阀的另一实施方式的俯视平面图；

图1b示出了与图1a中相同的实施方式的侧视平面图；

图1c是图1a和图1b的被动毛细管阀的透视图；

图2a示出了被动毛细管阀的另一实施方式的俯视平面图；

图2b示出了与图2a中相同的实施方式的平面侧视图；

图2c是图2a和图2b的被动毛细管阀的透视图；

图3a示出了被动毛细管阀的另一实施方式的俯视平面图；

图3b示出了与图3a中相同的实施方式的侧视平面图；

图3c是图3a和图3b的被动毛细管阀的透视图；

图4a示出了被动毛细管阀的俯视平面图，其示出了示例性的以毫米计的尺寸和最小半径角；

图4b是同一实施方式的侧视平面图，其示出了被动毛细管阀；

图5是在混合平台的背景下本发明的实施方式的一个应用的俯视平面图；以及

图6是在混合平台的背景下本发明的实施方式的另一应用的俯视平面图。

在全部附图中，相同的特征由相同的附图标记标识。

具体实施方式

现在描述以下术语、部件和任何附图标记，接着是现在参考附图组合在一起的部件的详细信息，随后描述如何使用本发明的实施方式。

在本文中使用术语“块状体”70描述形成微通道、入口、(一个或多个)混合区域、出口和被动毛细管阀的固体形式。

本申请中的“下游”和“上游”旨在表示微通道中的流体从入口或输入位置朝向出口或排出点的流动方向。

注塑成型是许多塑料的标准制造方法。优选由铬钢构成的金属块被机械加工成所需的形状。使用圆形切割刀片。在微机械加工应用中，刀具的尺寸必须非常小，但随着尺寸的减小，耐用性会降低。0.3mm刀具是强度的优选最小值，其限制了可以在任何最终产品中产生的角度。将熔融塑料注入金属块中的制造孔中，并且在塑料冷却至足够硬度之后，打开模具并移除制造的形状。

“入口井(inletwell)”50描述了开口和初级体积(primaryvolume)，在初级体积中，试剂沉积并进入微流体盒或芯片。流体流8的方向是当从入口井50上方施加压力时液体试剂被推动通过微流体混合平台内的微通道的方向。流体流8由小箭头8指示。

术语“井阶(wellstep)”51意味着起始井50和微通道30之间的深度变化，这减缓了待混合至微通道30中的成分的通过，直到对井50施加压力。

仅在图5中所示的纳米颗粒输入井60在一些实施方式中是添加以下成分的位置：脂质、表面活性剂、诸如乙醇的有机溶剂中的胆固醇。在从纳米颗粒输入井60通向混合区域75的微通道62中不需要被动毛细管阀。

微通道30、35和62旨在表示通常约80微米至1000微米宽度的线性的或曲线的通道。大约240微米是标准的。在一些实施方式中，微通道宽80微米至500微米。在一些实施方式中，微通道的高度为79微米至499微米。

为了便于制造，微通道的截面通常为矩形。在其它实施方式中，微通道的截面是正方形、类圆形、正圆形、卵形、椭圆形或半圆形。

在这里，使用的术语“最小曲率半径”是指在微尺度制造中可制造的最尖锐的转弯。对于0.03mm的刀具(具有耐用性的最小刀具)，最小曲率半径为0.015mm至0.05mm。在本发明的实施方式中，曲率半径为约0.08mm。可实现的最小曲率半径由用于制造模具的刀具和被模制的材料的特性二者决定。

在本文中，术语“混合区域”75用于表示微混合器的下游部分，其中两种或更多种试剂在足以迫使扩散距离减小的压力下组合。

通常，“试剂”旨在描述含有待混合材料的流体：包括中性脂质、带电或可离子化的脂质、诸如peg-dmg或myrj52的聚合物表面活性剂和胆固醇的疏水混合物；包括核酸和etoh的有机混合物；以及水性缓冲液。

微混合器是一种现代技术，其使用材料科学和液压技术来为技术和生物医学应用获得高质量的一致的纳米颗粒或乳液。微混合器由加拿大温哥华的precisionnanosystems股份有限公司销售。

术语“混合平台”旨在表示包括一个或多个入口、微通道和混合区域以及一个或多个出口的任何部件。本领域中使用的其它术语是“微流体芯片”和“微流体盒”，并且这些术语连同“混合平台”在本申请中是等同物并且用于描述刚性材料(在一些实施方式中，热塑性塑料)的主体，该主体具有微通道和整个本发明和以下参考文献中描述的其它微几何形状。cullis等人的美国申请公布no.20120276209和no.20140328759描述了使用小体积混合技术和由此获得的新配方的方法。ramsay等人的美国申请公布no.20160022580描述了使用小体积混合技术和产品以便配制不同材料的更先进方法。walsh等人的美国申请公布no.us2016235688公开了具有通向待混合的元素的不同路径和井的微流体混合器。wild、leaver和walsh的pct公开wo/2016/176505公开了具有一次性无菌路径的微流体混合器。wild、leaver和taylor的pct公开号wo/2017/11647公开了分叉环形微混合几何形状及其在微观混合中的应用。wild和weaver的美国设计号d771834、d771833和d772427公开了用于微流体混合器的盒，该盒包括如本文中所述的“混合平台”的早期版本。

混合平台通常在前一段中提到的或者由pct公开号wo18006166中公开的实施方式表示的机械微混合器内工作。在其它实施方式中，混合平台可以在施加压力以推动流体通过流体路径以便混合内容物的任何情况下使用。在一些实施方式中使用注射器。更经常地使用泵。出于本发明的目的，微流体芯片和微流体盒可以被认为是“混合平台”。

术语“被动毛细管阀”10指的是本发明的实施方式，即将阻止亲水性微通道中的毛细管泵送的特征。

本文中使用的术语“负通道转弯”20是指微通道中的点，在该点处侧壁偏离微通道在该点处延伸所沿的轴线。偏离包括微通道中较宽的成形开口25。如果微通道的轴线被认为是0度，则在一些实施方式中负通道转弯20的轴线与微通道的该轴线的角度为至少90度至约179度，在一些实施方式中为95至160度，在其它实施方式中为100度至150度，在其它实施方式中为105至145度，在其它实施方式中为110至140度，在其它实施方式中为120至130度，以及其之间的任何角度。在一些实施方式中，负通道转弯是相当棱角状的。在其它实施方式中，负通道转弯20略微倒圆。

术语“负通道体积”25指的是微通道30中的加宽体积，该体积对应根据本发明的实施方式的被动毛细管阀功能。

术语“正常微通道过渡部”26旨在表示从负通道体积25过渡回至微通道35和典型的微通道尺寸。尽管微通道壁应该尽可能有效地返回至微通道尺寸，但这种过渡的确切角度并不重要。

术语“纳米颗粒”是指直径在1nm和500nm之间的颗粒，并且如本文中使用的可以包括两种或更多种成分的混合物，所述成分的示例为脂质、聚合物、表面活性剂、核酸、甾醇、肽和小分子。纳米颗粒技术的示例以及纳米颗粒的制备方法公开在cullis等人的美国专利公布20120276209a1和wild等人的美国专利公布us20140328759中。

在本发明中，以非限制性意义使用词语“包括”以便表示该词之后的项目包括在内，但不排除未具体提及的项目。可以理解的是，在包括或可以包括指定特征或变量或参数的实施方式中，替选实施方式可以由或基本上由这些特征或变量或参数组成。不定冠词“一”对元素的引用不排除存在多于元素中的一个元素的可能性，除非上下文明确要求存在一个且仅一个元素。

在本发明中，通过端点表述的数值范围包括归入在该范围内的所有数字，包括所有整数(wholenumbers)、所有整数(integers)和所有分数中间值(fractionalintermediates)。在本发明中，单数形式“一”和“该”包括多个元素，除非内容另有明确说明。因此，例如，提及含有“一化合物”的组合物包括两种或更多种化合物的混合物。

在本发明中，术语“或”通常以包括“和/或”的含义使用，除非该内容另有明确说明。

现在参考附图，并且更具体地参考图1a，根据本发明的被动毛细管阀的一个实施方式的轮廓在上下文中以10示出。入口井50、井阶51、上游微通道30、被动毛细管阀10以及下游微通道35的轮廓是块状体70中的空腔，该被动毛细管阀包括负通道转弯20、负通道体积25和正常微通道过渡部26。

在本发明的实施方式中，块状体70可以由任何刚性或半刚性材料组成。在本发明的实施方式中，块状体由热塑性塑料或热弹性体组成。在本发明的实施方式中，块状体70包括聚碳酸酯(pc)、聚丙烯(pp)、环烯烃均聚物(cop)、或环烯烃共聚物(coc)。在其它实施方式中，部件的组合构成块状体70。

如图1a和图1b所示，通过微通道30的流体流8在被动毛细管阀10之前，并且通过微通道35的流体流8跟随通过微通道30的流体流8。图1c是图1a(俯视平面图)和图1b(截面侧视平面图)中所示的实施方式的透视图。

被动毛细管阀10是微通道中的加宽部，其形状被设计成阻止毛细管泵送。该加宽必须相对于微通道以负角度发生。如果微通道的轴线为0度，则两边的臂的轴线与微通道的该轴线的角度在一些实施方式中为至少90度至约179度，在一些实施方式中为95至160度，在其它实施方式中为100至150度，在其它实施方式中为从105度至145度，在其它实施方式中为从110度至140度，在其它实施方式中为从120度至130度，以及在90度至179度之间的任何角度。两个臂不需要是对称的。在一些实施方式中，负通道转弯具有略微倒圆的形状到非常倒圆的形状。在一些实施方式中，微通道30恰好在毛细管阀10之前缩窄，其中该缩窄部形成阀的一部分。

图2a、图2b和图2c表示本发明的被动毛细管阀10的另一实施方式，该被动毛细管阀10具有更倒圆的负通道转弯20。和在其它附图中一样，流体流8朝向负通道转弯20穿过微通道30，过渡通过负通道体积25，并且经过正常微通道过渡部26进入随后的微通道35，并且向下游至图5中才示出的混合特征。

现在参考图3a-图3c，示出了本发明的被动毛细管阀的另一实施方式。该实施方式仅在微通道30路径的“底部”上具有负通道壁，在微通道35处返回至标准水平。在用于图1a和图2a所示的“翼”的平面空间缩小的情况下，或者在只能使用非常基本的被动毛细管阀的情况下，其将是有用的。

现在参考图4a，其示出了本发明的被动毛细管阀的一个实施方式的示例性尺寸。该实施方式最接近地对应于图1a-图1c中所示的实施方式。在优选的实施方式中，阀在最宽点(纬度)为1.20mm，从后部的“翼尖”到正常微通道过渡部26为0.70mm长。阀从角度20到正常微通道过渡部26为0.50mm。在图4a和图4b中标记为“6”的线是参考线。图4a是该实施方式的俯视平面图，图4b是侧视截面平面图。

现在参考图5，其示出了特征在于本文中的被动毛细管阀的混合平台。在该实施方式中，具有根据本发明的实施方式的两个被动毛细管阀，这两个被动毛细管阀分别沿着两个入口井50a和50b与混合特征75之间的每个流体路径。入口井50a装有缓冲液，入口井50b装有用于纳米颗粒制剂的水性试剂(例如核酸)，最后纳米颗粒输出井60装载有疏水性试剂。微通道62中不需要被动毛细管阀10，这是因为添加的时间并且也因为添加到输出井60中的试剂是疏水性的且不经受相同程度的毛细管作用。对混合平台的入口井50b和输入井60施加压力。脂质核酸纳米颗粒是通过混合区域的作用以及涌入到入口井50a中的缓冲液中的组合而形成的。

现在参考图6，其示出了特征在于上下文中的被动毛细管阀的混合平台的另一实施方式。在该实施方式中，废物池79脱离混合器75之后的微通道并通向通风井80。混合平台能够使中流的最佳混合物导流(tapping)，该最佳混合物被转向到纳米颗粒输出井60。在混合处理的过程中的不同压力使得流一直到废物池79以便抽走可能不是最佳的第一体积的混合物。通风井80用作通向大气的通风口，使得通过岔道的流体能够移动至出口井60，并且毛细管阀10防止液体从混合平台涌出。废物池79为由混合产生的待从最终产品中除去的第一体积和/或最后体积提供体积。注意的是，在该实施方式中，输出井60之前是毛细管阀10，而入口井50a和入口井50b在混合区域75之前不具有毛细管阀。

在另一实施方式中，在混合区域75之前和之后都存在毛细管阀。在另一实施方式中，毛细管阀仅存在于混合平台上的一个位置。

操作

如上面解释的，伴随着制造材料的变化，本发明的被动毛细管阀是微流体混合领域的进步所必需的。随着微流体混合平台被更大量生产，pdms作为块状材料不再实用。诸如pc、pp、cop和cop的刚性热塑性塑料是实用材料，但比pdms更亲水。已经用于将组分添加并混合至纳米颗粒中的已建立的微通道几何形状现在表现出不期望的毛细管泵送。

在毛细管泵送中，微通道壁处的流体将比微通道中间的流体更向前，并且因为流体倾向于粘附至于自身，所以流体的主体沿微通道壁被向前拉。这种趋势破坏了给定混合平台中纳米颗粒制造的一致性。

由于所制造的结构太小而不能使传统的阀实用，因此申请人需要得到不同的解决方案。在一个实施方式中，在入口井和混合区域75之间引入被动毛细管阀10。令人惊奇的是，毛细管阀在沿着微通道通过的流体的甚至高压下也能工作。此外，由于倒圆的过肩角(称为曲率半径)，其可在注塑成型环境中制造。在使用各种水性流体的实验中，其中微通道壁具有其侧壁相对于相应微通道的轴线具有负角度的区域的被动毛细管阀，即使在角度不尖锐时防止了不期望的毛细管作用。在70％乙醇：30％h2o的混合物的极端示例中，本发明的毛细管阀甚至用于防止毛细管泄漏。

通过现实生活应用，诸如图5中所示的混合平台的混合平台用于以任何合适的纳米颗粒混合物的形式配制包括sirnafvii的纳米颗粒，例如，在us2016-0022580：1中公开的纳米颗粒：17-双(2-辛基环丙基)十七烷-9-基-4-(二甲基氨基)丁酸酯：dspc：胆固醇：聚氧乙烯(40)硬脂酸酯(50：10：37.5：2.5mol％)。将具有sirna的乙醇或乙醇溶液添加至第一入口井50b。将缓冲液添加至在混合区域75的距第一入口井远的端部处的第二入口井50a中。将纳米颗粒混合物添加至纳米颗粒入口井60中。同时在井60和中心井50b上施加压力。这两个井中的流体在混合区域75中结合并一直传送到第二入口井50a中的缓冲液，从而形成纳米颗粒。这些纳米颗粒从第二入口井50a收获。

在实验中，尝试了被动毛细管阀的若干变型。微通道的简单拓宽不起作用，微通道的简单的收缩也不起作用。图1a-图1c和图2a-图2c中所示的实施方式对于各种流体和混合物(例如有机溶剂和水溶液)是最有效的。图3a至图3c所示的具有单个直角阀的实施方式在某种程度上是有效的，但是这种形式将保留用于双侧实施方式不能装配或制造的情况。在实验中，该实施方式降低了毛细管作用，但不如图1a-图1c和图2a-图2c中的实施方式稳健。

在涉及图6中所示实施方式中的“样品转换”的实验中，毛细管阀10用于从最终产品除去开始配制纳米颗粒时的瞬态流。这种瞬态流不是最佳材料，并且其需要在不利用微流体混合平台内部的机械部件的情况下被虹吸掉。按照设计，混合的流体从混合区域75出来并且行进到其到达叉路，其中，微通道30在一个方向上通向毛细管阀10以及前向路径通向废物池79，废物池79和大气(通风井80)之间的较小微通道形式的阻抗跟随废物池之后。在实验中，流体停在毛细管阀10处，但继续行进到废物池79中，使废物池79中的空气移位。空气容易通过阻抗微通道，但一旦流体达到阻抗，就会引起反压增大。一旦该反压足够大，流体开始流过毛细管阀10并且流动至纳米颗粒输出端60。因此，在进入最终纳米颗粒制剂之前，除去过度稀释、不良混合或不均匀的预流。

虽然上面已经描述了并且在附图中示出了优选的实施方式，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的情况下可以进行修改。这些修改被认为是包含在本发明的范围内的可能变型。