本發(fā)明涉及微流控，具體涉及一種雙乳化高通量微流控芯片制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、雙乳化技術(shù)，亦稱為多重乳化技術(shù)，是一種在乳液內(nèi)形成另一種乳液的技術(shù)。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品和材料科學(xué)等領(lǐng)域，其核心在于形成復(fù)雜的乳化體系，如水包油包水（w/o/w）和油包水包油（o/w/o）。雙乳化體系通過(guò)兩個(gè)乳化步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中一次乳化生成初級(jí)乳滴，二次乳化再將這些初級(jí)乳滴包裹在次級(jí)乳滴中，從而形成多重結(jié)構(gòu)的乳液。

2、傳統(tǒng)的雙乳化方法主要依賴于高速攪拌和相轉(zhuǎn)化技術(shù)。高速攪拌法通過(guò)使用高剪切力設(shè)備，如均質(zhì)機(jī)或超聲波處理器，將兩種不互溶的液體混合并形成乳液。相轉(zhuǎn)化法則是通過(guò)改變體系的溫度或組成，使原本穩(wěn)定的乳液發(fā)生相轉(zhuǎn)變，從而形成多重乳液。然而，這些方法往往難以精確控制液滴的大小和分布，且生產(chǎn)效率較低。此外，高強(qiáng)度的機(jī)械作用可能會(huì)破壞一些敏感性物質(zhì)，如蛋白質(zhì)或某些藥物分子。

3、近年來(lái)，微流控技術(shù)的快速發(fā)展為雙乳化技術(shù)帶來(lái)了新的機(jī)遇。微流控技術(shù)是一種在微米尺度下操控和處理流體的技術(shù)，它可以通過(guò)設(shè)計(jì)精密的流道結(jié)構(gòu)和控制流體流速，實(shí)現(xiàn)液滴的精準(zhǔn)生成和高通量生產(chǎn)。在微流控技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，雙乳化技術(shù)在液滴生成、藥物傳遞、細(xì)胞包裹等應(yīng)用中展現(xiàn)了巨大潛力。例如，在藥物傳遞方面，微流控雙乳化技術(shù)可以制備具有精確尺寸和窄分布的多層微膠囊，這些微膠囊可以有效地包裹水溶性和油溶性藥物。在細(xì)胞研究領(lǐng)域，微流控雙乳化技術(shù)可以用于制備人造細(xì)胞或組織，為組織工程和再生醫(yī)學(xué)提供新的工具。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種雙乳化高通量微流控芯片的制備及應(yīng)用，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率低和成本高等問(wèn)題。

2、第一方面，為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的一種雙乳化高通量微流控芯片，包括：基板、中間層和蓋板；

3、所述中間層安裝在所述基板和蓋板之間，所述中間層設(shè)置有微流道，用于液滴的生成和輸送；

4、所述中間層的一側(cè)設(shè)置有多個(gè)基于流動(dòng)聚焦技術(shù)的液滴生成單元，用于實(shí)現(xiàn)第一次液滴的生成；

5、所述中間層的另一側(cè)設(shè)置有基于界面張力的階梯式液滴生成結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)第二次液滴的生成，形成雙乳化液滴。其中，為減小在第二次生成液滴過(guò)程中，前端的階梯式結(jié)構(gòu)生成的液滴對(duì)后端的階梯式結(jié)構(gòu)生成液滴的影響，將全部數(shù)量的階梯式結(jié)構(gòu)流道均分成兩部分，并設(shè)置兩個(gè)分散相入口和雙乳化液滴出口。若設(shè)置過(guò)多的分散相入口和雙乳化液滴出口，則需要更多的泵入液體的設(shè)備，增加了操作難度、實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和出錯(cuò)的可能性。

6、進(jìn)一步地，所述中間層兩側(cè)的結(jié)構(gòu)通過(guò)通孔連接，用于液滴從一側(cè)流動(dòng)到另一側(cè)進(jìn)行雙乳化處理；

7、所述通孔的直徑略大于流道的寬度，確保液滴能夠順利通過(guò)而不會(huì)發(fā)生破裂或合并，同時(shí)直徑應(yīng)保持在兩個(gè)流道寬度以內(nèi)，確保液滴不會(huì)并行通過(guò)。

8、進(jìn)一步地，所述蓋板上設(shè)置有多個(gè)孔洞，用于通入不同的流體，實(shí)現(xiàn)微流控芯片的多功能化應(yīng)用；

9、這些孔洞的位置與中間層流道流入液體位置相對(duì)應(yīng)，孔洞直徑大于流道的寬度，以保證流體能夠均勻地進(jìn)入微流道，并且不會(huì)影響芯片的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

10、進(jìn)一步地，所述基板、中間層和蓋板通過(guò)鍵合工藝進(jìn)行組裝，形成完整的雙乳化高通量微流控芯片。

11、所述鍵合工藝可以是等離子體活化鍵合、熱鍵合或uv光固化等方法，選擇的鍵合方法需要確保芯片各部分之間的緊密結(jié)合，同時(shí)不會(huì)影響微流道的結(jié)構(gòu)和功能。

12、進(jìn)一步地，所述基板不進(jìn)行加工，所有的微流道加工在中間層兩側(cè)，以減少芯片鍵合時(shí)的誤差。

13、這種設(shè)計(jì)方法可以簡(jiǎn)化制造過(guò)程，提高芯片的一致性和可靠性，同時(shí)也便于后續(xù)的質(zhì)量控制和批量生產(chǎn)。

14、進(jìn)一步地，所述中間層采用特定的材料和加工工藝，以確保液滴生成過(guò)程中的穩(wěn)定性和高效性。

15、所述特定的材料可以是具有良好的光學(xué)透明性、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性的材料，例如聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或環(huán)氧樹(shù)脂等。

16、加工工藝可以包括軟光刻技術(shù)、微模塑成型或3d打印等，這些工藝能夠精確地復(fù)制微流道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

17、優(yōu)選地，所述雙乳化高通量微流控芯片通過(guò)流道和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠快速大量地制備雙乳化液滴，如o/w/o、w/o/w等，大大提高了生產(chǎn)效率。

18、所述流道設(shè)計(jì)利用了毛細(xì)管現(xiàn)象、剪切力和界面張力等，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的液滴生成和控制。

19、優(yōu)選地，所述雙乳化高通量微流控芯片適用于藥物傳遞和生物學(xué)研究等多種應(yīng)用。

20、在藥物傳遞方面，雙乳化液滴可以作為藥物載體，提高藥物的穩(wěn)定性和生物利用度。在生物學(xué)研究中，可用于單細(xì)胞分析、蛋白質(zhì)結(jié)晶和酶學(xué)研究等領(lǐng)域。

21、第二方面，基于相同的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種雙乳化高通量微流控芯片的制備方法，包括以下步驟：

22、第一步，進(jìn)行光刻形成模具，所述光刻過(guò)程包括掩模版設(shè)計(jì)、光刻膠涂覆、曝光和顯影等步驟，需要精確控制每個(gè)步驟的參數(shù)以確保模具的精度，其中需要制備兩個(gè)模具，分別對(duì)應(yīng)中間層兩側(cè)的流道。

23、第二步，使用模具制備中間層，并在中間層的兩側(cè)形成所需的微流道；所述制備過(guò)程需要將兩個(gè)模具對(duì)準(zhǔn)，置于合適的容器中，再將液態(tài)pdms倒入模具中，經(jīng)過(guò)脫氣和熱固化后得到帶有微流道結(jié)構(gòu)的中間層。

24、第三步，在蓋板上打孔，以便流體通入和流出；所述打孔過(guò)程可以使用激光切割或機(jī)械鉆孔等方法，需要控制孔的位置和大小，以確保與微流道的精確對(duì)接。

25、第四步，將基板、中間層和蓋板進(jìn)行鍵合，得到最終的雙乳化高通量微流控芯片。所述鍵合過(guò)程需要在潔凈環(huán)境下進(jìn)行，以避免灰塵等雜質(zhì)影響芯片的性能。

26、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下的有益效果：通過(guò)第一次乳化的流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和第二次乳化的階梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多數(shù)雙乳化液滴的生成；這種中間層雙面設(shè)計(jì)流道，與多層流道鍵合相比，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，減少了芯片鍵合時(shí)帶來(lái)的誤差；通過(guò)這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得芯片面積更小，可在相同的面積上集成更多流道，使成產(chǎn)效率更高，實(shí)現(xiàn)了快速大量雙乳化液滴的制備，大大提高了生產(chǎn)效率，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域。

27、此外，本發(fā)明的雙乳化高通量微流控芯片還具有以下優(yōu)點(diǎn)：高度集成化：在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)了雙乳化液滴的生成、處理和收集，減少了樣品轉(zhuǎn)移和操作步驟，降低了實(shí)驗(yàn)誤差?？煽匦詮?qiáng)：通過(guò)調(diào)節(jié)流體的流速和流道的幾何參數(shù)，可以精確控制生成液滴的大小、單分散性和組成。節(jié)省試劑：相比傳統(tǒng)的批量制備方法，微流控技術(shù)可以顯著減少試劑的消耗，特別適合于珍貴或昂貴樣品的處理。高通量：多個(gè)液滴生成單元的并行操作，使得芯片能夠在短時(shí)間內(nèi)生成大量的雙乳化液滴，滿足高通量篩選的需求。靈活性：通過(guò)改變注入的流體種類和比例，可以方便地制備不同類型和組成的雙乳化液滴，適應(yīng)多樣化的實(shí)驗(yàn)需求。

技術(shù)特征：

1.一種雙乳化高通量微流控芯片，其特征在于：包括基板、中間層和蓋板，所述中間層安裝在所述基板和蓋板之間，所述中間層設(shè)置有微流道，用于液滴的生成和輸送；所述中間層的一側(cè)設(shè)置有多個(gè)基于流動(dòng)聚焦技術(shù)的液滴生成單元，用于實(shí)現(xiàn)第一次液滴的生成；所述中間層的另一側(cè)設(shè)置有基于界面張力的階梯式液滴生成結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)第二次液滴的生成，形成雙乳化液滴；將全部數(shù)量的階梯式結(jié)構(gòu)流道均分成兩部分，并設(shè)置兩個(gè)分散相入口和雙乳化液滴出口；所述中間層兩側(cè)的結(jié)構(gòu)通過(guò)通孔連接，用于液滴從一側(cè)流動(dòng)到另一側(cè)進(jìn)行雙乳化處理；所述基板不進(jìn)行加工，所有的微流道加工在中間層兩側(cè)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙乳化高通量微流控芯片，其特征在于：所述通孔的直徑略大于流道的寬度，同時(shí)直徑應(yīng)保持在兩個(gè)流道寬度以內(nèi)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙乳化高通量微流控芯片，其特征在于：所述蓋板上設(shè)置有多個(gè)孔洞，用于通入不同的流體，實(shí)現(xiàn)微流控芯片的多功能化應(yīng)用；這些孔洞的位置與中間層流道流入液體位置相對(duì)應(yīng)，孔洞直徑大于流道的寬度。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙乳化高通量微流控芯片，其特征在于：所述基板、中間層和蓋板通過(guò)鍵合工藝進(jìn)行組裝，所述鍵合工藝是等離子體活化鍵合、熱鍵合或uv光固化。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙乳化高通量微流控芯片，其特征在于：中間層采用聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或環(huán)氧樹(shù)脂材料制作；加工工藝包括軟光刻技術(shù)、微模塑成型或3d打印。

6.一種雙乳化高通量微流控芯片的制備方法，其特征在于：包括以下步驟，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種雙乳化高通量微流控芯片及其制備方法，該芯片包括基板、中間層和蓋板。本發(fā)明選擇不對(duì)基板進(jìn)行加工，而是將主要的微流道加工在中間層兩側(cè)，并在蓋板上進(jìn)行打孔方便通入流體。中間層一側(cè)設(shè)計(jì)了多個(gè)基于流動(dòng)聚焦技術(shù)的液滴生成單元，從而實(shí)現(xiàn)第一次生成液滴，在另一側(cè)則設(shè)計(jì)了基于界面張力的階梯式生成液滴結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)第二次生成液滴。芯片兩側(cè)的結(jié)構(gòu)通過(guò)通孔連接。制備方法包括進(jìn)行光刻形成模具、使用模具制備中間層并在中間層的兩側(cè)形成所需的微流道、在蓋板上打孔、最后將基板、中間層和蓋板進(jìn)行鍵和。本發(fā)明通過(guò)流道和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)快速大量雙乳化液滴制備，提高了生產(chǎn)效率,適用于藥物傳遞和生物學(xué)研究等多種應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：王清正,楊衛(wèi)民,楊爍,范一強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京化工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30