專利名稱：基于微流控芯片制備微米級海藻酸鈣絲的方法及專用芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新型材料技術(shù)與微流控技術(shù)的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種基于微流控芯片制備微米級海藻酸鈣絲的方法及專用芯片。
背景技術(shù)：
本發(fā)明以微流控技術(shù)為依托。微流控芯片(microfluidic chip)又稱芯片實(shí)驗(yàn)室 (lab on a chip)，指的是把常規(guī)實(shí)驗(yàn)室基本操作單元集成到一塊幾平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，用以取代常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的各種功能的一種技術(shù)。
海藻酸鈉是由褐藻中提取的天然多糖碳水化合物。海藻酸鈉的分子鏈上含有大量的羥基和羧基，用氯化鈣溶液作為交聯(lián)劑，可形成交聯(lián)的海藻酸鈣聚合物，含水率高，具有好的良好的生物降解性和生物相容性。其溫和的溶膠凝膠過程使海藻酸鈣適于作為釋放或包埋藥物、蛋白及細(xì)胞的微膠囊。
目前國內(nèi)外均有利用海藻酸鈣凝膠作為細(xì)胞培養(yǎng)的基質(zhì)以研究細(xì)胞行為的報道， 其中包括將細(xì)胞培養(yǎng)于海藻酸鈣微球、微絲或片層表面的二維培養(yǎng)的研究；將細(xì)胞包埋于海藻酸鈣內(nèi)部進(jìn)行細(xì)胞三維培養(yǎng)的研究；將海藻酸鈣進(jìn)行化學(xué)改性或摻雜其他材料進(jìn)行細(xì)胞二維及三維培養(yǎng)的研究。細(xì)胞均表現(xiàn)出了與常規(guī)平面培養(yǎng)所不同的生理生化特性。海藻酸鈣凝膠可以成為良好的組織工程材料，作為支架，其可在體外構(gòu)建出類似于活體內(nèi)的細(xì)胞生存環(huán)境，為細(xì)胞行為研究，體外組織構(gòu)建提供了一個很好的基質(zhì)。
但到目前為止，利用海藻酸鈉溶液來制備形貌及組成更加多樣，功能更加強(qiáng)大的海藻酸鈣凝膠仍然是一件非常具有挑戰(zhàn)性工作。利用微流控芯片技術(shù)的優(yōu)勢，可在海藻酸鈣水凝膠材料中可控的集成更多的功能單元，可制備具有更加復(fù)雜形態(tài)結(jié)構(gòu)及更多功能單元的海藻酸鈣材料。利用微流控芯片技術(shù)制備的海藻酸鈣水凝膠材料形貌更加可控，成品性質(zhì)更加均一，能夠?qū)崿F(xiàn)更加多樣化的需求。相對于傳統(tǒng)方法，具有不可比擬的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于微流控芯片制備微米級海藻酸鈣絲的方法及專用芯片，本發(fā)明制備過程穩(wěn)定，產(chǎn)物形貌均一，方法簡單。
本發(fā)明提供了一種微流控芯片，該微流控芯片由上、下層芯片組成，兩層均為 PDMS，上層芯片含液體流路及氣泵閥控制單元，下層芯片為空白PDMS ;兩層PDMS通過氧等離子表面處理后封合，封合后通入海藻酸鈉溶液以維持通道內(nèi)表面親水性。芯片由兩個系統(tǒng)組成，分別為液體流路系統(tǒng)和氣泵閥控制系統(tǒng)。液體流路系統(tǒng)內(nèi)包含多個液滴產(chǎn)生單元和一個液滴間距控制單元，氣泵閥控制系統(tǒng)內(nèi)包含多個氣泵閥控制單元。芯片具有多個海藻酸鈉連續(xù)相溶液的入口、多個油相分散相溶液的入口、一個總出口、一個T型通道結(jié)構(gòu)、 一個十字形夾流通道結(jié)構(gòu)；每個油相分散相溶液的通道兩側(cè)皆有一個獨(dú)立的氣泵閥控制單元；所用油相分散相為不溶于水的液體或乳液，液體內(nèi)可溶解各種溶質(zhì)。油相分散相溶液的入口，油相分散相溶液的通道，及其兩側(cè)的氣泵閥控制單元可以適當(dāng)增減，以增加或減少油相分散相的種類。本發(fā)明提供的微流控芯片，所述封合后的芯片，用鋒利的刀片切割芯片總出口通道處，切割面與出口通道相垂直，以產(chǎn)生光滑平整的出口 PDMS截面。有利于海藻酸鈣微絲穩(wěn)定均勻的形成。本發(fā)明還提供了基于所述微流控芯片制備微米級海藻酸鈣絲的方法，將芯片平放，芯片出口浸沒在氯化鈣溶液中，利用四氟管將注射器聯(lián)通到微流控芯片入口，利用注射泵推動注射器，利用氣泵閥單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鈉溶液最終從芯片總出口處流出，在氯化鈣溶液中固化成海藻酸鈣絲。本發(fā)明提供的制備微米級海藻酸鈣絲的方法，油相分散相液滴產(chǎn)生單元為T型通道，分散相通道兩側(cè)具有氣泵閥控制單元，通過單片機(jī)程序控制氣泵閥的開啟和關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)對油相分散相通道的周期性擠壓，進(jìn)而控制油相分散相液滴的形成大小及頻率，通過對多個分散相通道兩側(cè)的氣泵閥控制單元進(jìn)行編程控制，可對分散相液滴進(jìn)行高度可控的排列。本發(fā)明提供的制備微米級海藻酸鈣絲的方法，芯片在液滴產(chǎn)生單元下游具有控制油相分散相液滴間距的十字形夾流液滴間距控制單元，可控制油相分散相液滴間距，實(shí)現(xiàn)液滴間距高度可控。本發(fā)明提供的制備微米級海藻酸鈣絲的方法，此芯片可形成包裹不同成分小球的海藻酸鈣微絲，當(dāng)小球?yàn)楣饩酆细呔畚锘驘峋酆细呔畚飼r，可將形成的包裹有小球的海藻酸鈣絲紫外光照或加熱，使高聚物小球聚合成固態(tài)。如此將不同特性的材料整合在一起。海藻酸鈣絲在IOx PBS緩沖液中或EDTA溶液中可溶解，因此可釋放內(nèi)部包裹的小球。本發(fā)明提供的制備微米級海藻酸鈣絲的方法，形成海藻酸鈣微絲后，對海藻酸鈣微絲風(fēng)干脫水處理可形成具有結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣微絲。此微絲在水中不會溶脹，保持結(jié)節(jié)形態(tài)。本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)(I)利用氣泵閥單元以主動的方式形成分散相液滴，是液滴排列和大小高度可控。(2)利用下游十字夾流通道對液滴間距進(jìn)行可控調(diào)節(jié)。(3)微絲形成方法簡單，直徑可通過出口通道寬高進(jìn)行調(diào)整；微絲形成快速穩(wěn)定。(4)可形成復(fù)雜的雜化材料，形成方法簡易。(5)可形成具有特殊結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣微絲。(6)微絲內(nèi)部包裹的小球可釋放。


圖I :芯片示意圖，其中上層為液體流路及氣泵閥控制單元圖，下層為空白PDMS ；圖2 :氣泵閥控制單元，兩側(cè)對稱結(jié)構(gòu)為分散相通道兩側(cè)的氣泵閥控制單元；圖3:芯片通道出口；圖4 :十字型液滴間距控制單元；圖5 :利用所述芯片制備的內(nèi)部包裹有礦物油液滴的海藻酸鈣微絲，微絲直徑 200um左右。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :兩種不同顏色的礦物油液滴在海藻酸鈣微絲內(nèi)相間排列。向礦物油內(nèi)分別加入蘇丹橙和蘇丹黑以對其染色。將兩種不同顏色的礦物油分別通入到芯片液滴分散相入口 I和入口 2。對氣泵閥控制器編程，兩氣泵閥控制單元均每隔400ms對分散相通道擠壓一次，兩單元擠壓時間間隔200ms，設(shè)定3個連續(xù)相海藻酸鈉溶液的流速為lul/min，十字型液滴間距調(diào)節(jié)單元的海藻酸鈉溶液連續(xù)相流速為lul/min。所用海藻酸鈉溶液濃度為2% (w/w)，將芯片平放，出口處浸沒在濃度為4% (w/w)氯化鈣溶液中，出口寬、高皆為200um?？尚纬蓛?nèi)部包含有橙、黑相間礦物油液滴的海藻酸鈣微絲。通過調(diào)節(jié)十字形液滴間距調(diào)節(jié)單元的溶液流速，可控制液滴間間距。實(shí)施例2 兩種不同成分的液滴在海藻酸鈣微絲內(nèi)相間排列。將N0A63光刻膠液體及FC-40氟碳油分別通入到芯片液滴分散相入口 I和入口
2。對氣泵閥控制器編程，兩氣泵閥控制單元均每隔400ms對分散相通道擠壓一次，兩單元擠壓時間間隔200ms，設(shè)定3個連續(xù)相海藻酸鈉溶液的流速為lul/min，十字型液滴間距調(diào)節(jié)單元的海藻酸鈉溶液連續(xù)相流速為lul/min。所用海藻酸鈉溶液濃度為2% (w/w)，將芯片平放，出口處浸沒在濃度為4% (w/w)氯化鈣溶液中，出口寬、高皆為200um?？尚纬蓛?nèi)部包N0A63、FC-40相間液滴的海藻酸鈣微絲。通過調(diào)節(jié)十字形液滴間距調(diào)節(jié)單元的溶液流速，可控制液滴間間距。將海藻酸鈣微絲收集懸空，紫外光下曝光并風(fēng)干，可得到內(nèi)部包含有N0A63光刻膠固體微球及FC-40液體微球的結(jié)節(jié)形狀海藻酸鈣微絲。
權(quán)利要求
1.一種微流控芯片，其特征在于該微流控芯片由上、下兩層組成，兩層均為PDMS材料，上層含液體流路及氣泵閥控制單元，下層為空白PDMS ； 該芯片具有兩個海藻酸鈉連續(xù)相溶液的入口、多個油相分散相溶液的入口、一個總出口、一個T型通道結(jié)構(gòu)、一個十字形夾流通道結(jié)構(gòu)；每個油相分散相溶液的通道兩側(cè)皆有一個獨(dú)立的氣泵閥控制單元；十字形夾流通道結(jié)構(gòu)位于T型通道結(jié)構(gòu)的下游。
2.按照權(quán)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，及其兩側(cè)的氣泵閥控制單元可以適當(dāng)增減，以增加或減少油相分散相的種類。
3.按照權(quán)利要求I所述的微流控芯片，其特征在于所述上下兩層PDMS用表面等離子處理的方法進(jìn)行封合，封合后向液體流路內(nèi)灌入海藻酸鈉溶液以維持通道內(nèi)表面的親水性。
4.按照權(quán)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，用鋒利的刀片切割芯片總出口通道處，切割面與出口通道相垂直，以產(chǎn)生光滑平整的出口 PDMS截面。
5.按照權(quán)利要求I所述的微流控芯片，其特征在于所述T型通道結(jié)構(gòu)是形成液滴的芯片結(jié)構(gòu)；所述十字形夾流通道結(jié)構(gòu)是控制油相分散相液滴間間距的結(jié)構(gòu)。
6.基于權(quán)利要求I所述微流控芯片制備微米級海藻酸鈣絲的方法，其特征在于將芯片平放，芯片出口浸沒在氯化鈣溶液中，利用四氟管將注射器聯(lián)通到微流控芯片入口，利用注射泵推動注射器，利用氣泵閥單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鈉溶液最終從芯片總出口處流出，在氯化鈣溶液中固化成海藻酸鈣絲。
7.按照權(quán)利要求6所述制備微米級海藻酸鈣絲的方法，其特征在于所述油相分散相液滴的形成是通過單片機(jī)程序控制的氣泵閥的開啟和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)對油相分散相溶液通道的周期性擠壓來控制的；所述油相分散相液滴的高度可控的排列是通過對多個油相分相溶液通道兩側(cè)的氣泵閥控制單元進(jìn)行編程控制來實(shí)現(xiàn)的。
8.按照權(quán)利要求6所述制備微米級海藻酸鈣絲的方法，其特征在于所述海藻酸鈣絲內(nèi)油相分散相液滴的大小、間距是通過調(diào)節(jié)氣泵閥的開關(guān)頻率，開關(guān)時間及海藻酸鈉連續(xù)相溶液流速及油相分散相溶液的流速來控制的；所述海藻酸鈣絲的直徑是通過控制芯片總出口通道的寬度、高度來實(shí)現(xiàn)的。
9.按照權(quán)利要求6所述制備微米級海藻酸鈣絲的方法，其特征在于所述海藻酸鈣微絲形成后，對海藻酸鈣微絲風(fēng)干脫水處理形成具有結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣微絲。
10.按照權(quán)利要求6所述制備微米級海藻酸鈣絲的方法，其特征在于所述油相分散相液滴為光聚合膠時，形成海藻酸鈣微絲后，對油相分散相液滴進(jìn)一步加工形成固態(tài)小球。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于微流控芯片制備微米級海藻酸鈣絲的方法及專用芯片。利用該芯片及方法，可制備直徑最小為20um的海藻酸鈣微絲；可制備內(nèi)部包涵有球形結(jié)構(gòu)其他材料分散相的海藻酸鈣微絲；可制備具特殊形態(tài)結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣微絲。利用該微流控芯片上獨(dú)立的液路及氣路控制系統(tǒng)，結(jié)合微量注射泵及氣體泵閥系統(tǒng)，可對上述海藻酸鈣微絲直徑進(jìn)行控制；可高度可控的排列微絲內(nèi)具球形結(jié)構(gòu)的材料分散相——包括間距，大小，成分，順序；可對微絲特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明提供的方法及平臺可高度可控的制備海藻酸鈣微絲，制備過程穩(wěn)定，產(chǎn)物形貌均一，方法簡單。
文檔編號B01J19/00GK102974410SQ20121043970
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者秦建華, 于躍, 姜雷 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所