一种流体可控输送载具、制备方法、应用与定量分装系统

本发明涉及精密仪器领域，特别是涉及一种流体可控输送载具、制备方法与应用，以及基于流体可控输送载具的流体药物的定量分装系统。

背景技术：

1、单向微流体扩散技术在生物检测、自清洁、液体分离、微流控操作等领域有着广泛的应用前景，引起了全世界的广泛关注。然而，大多通过驱动场诱导的微液体操纵方法逐渐无法满足绿色、便捷、高效的微流控器件的要求。因此，人们提出了不同的策略来打破微流体在微器件表面的平衡状态，从而实现自驱动的不对称扩散。通过对其表面润湿性的改变，微流体可以由于表面的张力不平衡而向优先方向进行移动。此外，可以通过构造具有偏转的纳米柱、鳍状结构和三角形柱的结构进行表面修饰，从而来实现微流体的流动控制。尽管这已取得广泛的进展，但相对有限的运输距离和简单的运输路线是远远不能满足实际应用的要求。这需要对微器件操控微流体做出相应的设计改变，开发新的方法来实现对微流体运输的操控。

2、在水介质中操纵气泡或非极性溶剂构成的液滴在材料科学和工业生产中非常重要，因为它在矿物浮选、药物运输、减阻、渔业生产、废水修复、催化等方面有许多潜在的应用。因此，人们人为地制造了各种创新表面，负责水下气泡的运动控制。除了特殊的输送工具的表面结构之外，现有的流体可控运输通常还需要提供外部驱动，包括光、磁和温度。这些都提高流体运输操控的难度。此外，现有的流体输送方法大多无法实现定量的输送，因此，如何提供一种自发的流体定向输送工具，实现对流体进行定量输送，正成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、基于此，为了现有流体定向输送的控制难度高，无法实现定量输送的问题，本发明提供一种流体可控输送载具、制备方法与应用，以及基于流体可控输送载具的流体药物的定量分装系统。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一种流体可控输送载具，其用于在流体a中对互不相溶且密度小于流体a的流体b进行定向输送。流体可控输送载具包括一个基板，基板表面包括经膜层制备和图案化后生成的输送区和非输送区。输送区包括至少一组由大圆点、小圆点以及连通二者的等宽通道构成的基本单元。输送区中a材料的接触角大于151.2°，b材料的接触角小于42.7°；所述非输送区中a材料的接触角小于42.7°，b材料的接触角大于151.2°；在所述输送区中，大圆点直径d1大于小圆点直径d2，小圆点直径d2大于通道的宽度w。

4、将流体可控输送载具置于流体a中，并向小圆点区域持续导入流体b时，流体可控输送载具将流体b从小圆点区域沿着通道的延伸路径源源不断输送到大圆点区域，并按照等体积的流体团的形式释放。

5、作为本发明进一步的改进，流体a和流体b分别为液相物质和气相物质。或者，流体a和流体b同为气相物质且具有极性差异。

6、作为本发明进一步的改进，定义任意两个大圆点和小圆点间的通道的长度为l，则输送区的空间分布满足如下约束：

7、πr22＞w·l

8、上式中，r2表示小圆点的半径。

9、作为本发明进一步的改进，利用流体可控输送载具在流体a中输送流体b时，当输送区中大圆点处由流体b构成的囊泡的高度大于h1时，大圆点处释放一个体积为v的流体团；流体团的体积v满足下式：

10、

11、上式中，r1为大圆点的直径；h1表示在当前流体可控输送载具及其对应的流体输送工况下，流体b在大圆点处可保持完整液滴形态时的液滴最大高度。

12、作为本发明进一步的改进，在输送区中，大圆点和小圆点的尺度规格满足：

13、3≥(r1/r2)≥1.5。

14、作为本发明进一步的改进，图案化后的输送区中包含从小圆点到大圆点的多级连通图，和以小圆点或大圆点为中心的辐射图或汇聚图。

15、作为本发明进一步的改进，当流体可控输送载具用于在水中输送气相物质时，输送区表面采用超疏水的材料制备而成。

16、本发明还包括一种流体可控输送载具的制备方法，其用于制备能够在水中输送气相物质的载具，该制备方法包括如下步骤：

17、s1：选择厚度不大于1mm的金属铝板作为基板。

18、s2：通过纳秒激光加工设备在基板的正面进行周期性扫描，形成粗糙表面。

19、s3：利用超疏水试剂在粗糙表面生成均匀光滑的超疏水层。

20、s4：通过纳秒激光加工设备按照预设的扫描路径对所述超疏水层进行刻蚀，以实现输送区的图案化处理；加工结束后，保留超疏水层的部分作为输送区，去除超疏水层的部分作为非输送区，进而得到所需的流体可控输送载具。

21、本发明还包括一种如前述的流体可控输送载具的应用，利用流体可控输送载具进行水下的油气资源捕集，或者，对流体成分进行定向输送或定量分装。

22、本发明还包括一种流体药物的定量分装系统，其用于将流体形态的药物按照指定的包装量进行快速分装，得到等量的流体团。定量分装系统包括：容器、流体介质、成形组件、药物注射组件和药物收集组件。

23、其中，流体介质位于容器内，流体介质采用与药物成分互不溶解、互不反应，且密度大于药物成分的流体物质。

24、成形组件采用前述的流体可控输送载具，成形组件位于流体介质中。在流体可控的输送载具的输送区处，药物成分的接触角150.2°；流体介质的接触角43.7°。在流体可控的输送载具的非输送区处，药物成分的接触角43.7°；流体介质的接触角150.2°。其中，药物成分在输送区的大圆点处可保持完整液滴形态的液滴体积与药物的包装量相对应。

25、药物注射组件用于在流体可控输送载具中小圆点一侧连续供应待分装的流体药物。

26、药物收集组件用于在流体可控输送载具中大圆点一侧收集释放的由流体药物构成的流体团。

27、本发明提供的一种流体可控输送载具、制备方法、应用与定量分装系统，具有如下有益效果：

28、本发明对基板材料进行特殊的表面处理，使得材料表面产生一个对特定极性的流体具备亲和性的输送区，输送区由两原点和中间通道构成。在这种特殊的器件中，将特定流体注入到一侧圆点时，流体会向圆点边界扩散，直到与边界接触产生拉普拉斯压力。之后，圆点诶流体的拉普拉斯力作为主要驱动力会驱动流体沿轨道方向运输到另一端圆点位置，直到两圆的流体的内应力相匹配，到达稳定的状态；当两点中的受力超出临界状态，则会以特定体积的流体图的形式释放。本发明提供的这种具备特殊性质的新型器件，可以作为对流体进行定向输送的载具或等量释放的分装设备。

29、本发明还根据研究出的流体可控输送载具的相关结构参数对流体运输效率的影响，确定了流体可控输送载具的最佳结构状态。本发明提供的产品在微流体操控方面有非常广阔的应用前景，可以应用于药物运输，气体催化，气体收集等领域。

技术特征：

1.一种流体可控输送载具，其特征在于；其用于在流体a中对互不相溶且密度小于流体a的流体b进行定向输送；所述流体可控输送载具包括一个基板，所述基板表面包括经膜层制备和图案化后生成的输送区和非输送区；所述输送区包括至少一组由大圆点、小圆点以及连通二者的等宽通道构成的基本单元；所述输送区中a材料的接触角大于151.2°，b材料的接触角小于42.7°；所述非输送区中a材料的接触角小于42.7°，b材料的接触角大于151.2°；在所述输送区中，大圆点直径d1大于小圆点直径d2，小圆点直径d2大于通道的宽度w；

2.根据权利要求1所述的流体可控输送载具，其特征在于：所述流体a和流体b分别为液相物质和气相物质；或者，所述流体a和流体b同为气相物质且具有极性差异。

3.根据权利要求1所述的流体可控输送载具，其特征在于：定义任意两个大圆点和小圆点间的所述通道的长度为l，则所述输送区的空间分布满足如下约束：

4.根据权利要求3所述的流体可控输送载具，其特征在于：利用所述流体可控输送载具在流体a中输送流体b时，当输送区中大圆点处由流体b构成的囊泡的高度大于h1时，所述大圆点处释放一个体积为v的流体团；所述流体团的体积v满足下式：

5.根据权利要求4所述的流体可控输送载具，其特征在于：在所述输送区中，大圆点和小圆点的尺度规格满足：3≥(r1/r2)≥1.5。

6.根据权利要求1所述的流体可控输送载具，其特征在于：图案化后的所述输送区中包含从小圆点到大圆点的多级连通图，和以小圆点或大圆点为中心的辐射图或汇聚图。

7.根据权利要求4所述的流体可控输送载具，其特征在于：当所述流体可控输送载具用于在水中输送气相物质时，所述输送区表面采用超疏水的材料制备而成。

8.一种如权利要求7所述的流体可控输送载具的制备方法，其用于制备能够在水中输送气相物质的载具，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：

9.一种如权利要求1-6中任意一项所述的流体可控输送载具的应用，其特征在于；利用所述流体可控输送载具进行水下的油气资源捕集，或者，对流体成分进行定向输送或定量分装。

10.一种流体药物的定量分装系统，其特征在于：其用于将流体形态的药物按照指定的包装量进行快速分装，得到等量的流体团；所述定量分装系统包括：

技术总结
本发明涉及精密仪器领域，特别是涉及一种流体可控输送载具、制备方法与应用，以及基于流体可控输送载具的流体药物的定量分装系统。该产品用于在流体A中对互不相溶且密度小于流体A的流体B进行定向输送。流体可控输送载具包括一个基板，基板表面包括经膜层制备和图案化后生成的输送区和非输送区。输送区包括至少一组由大圆点、小圆点以及连通二者的等宽通道构成的基本单元。输送区呈亲B疏A特性，而非输送区呈亲A疏B状态。流体可控输送载具能够在流体A中将流体B从小圆点区域沿着通道的延伸路径源源不断输送到大圆点区域，并按照等体积的流体团的形式释放。本发明可以作为一种新型微流控器件，广泛应用于生物医药，石油化工等领域。

技术研发人员：吴思竹,高雪丽,卢嘉伟,劳召欣
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24