一种基于微通道板的微流控膜乳化器件及制备方法

本发明涉及了一种微流控膜乳化器件，具体涉及一种基于微通道板的微流控膜乳化器件及制备方法。

背景技术：

1、生活中，食品、美妆、化学等工业与液滴系统密切相关，它们将其称之为乳化。而近几十年来，更多的人利用液滴的单个独立、尺寸可控等特性在生命科学领域展开了广泛的应用，液滴作为超微小的独立反应腔室，可以进行微观上的单细胞的培育、核酸检测、药物合成等，微小的球体体积，增加了药物附载的面积，其亦能够应用于临床上医用给药敷贴，也可以作为3d打印人体组织工程中微生物支架墨水粒子。

2、生物工程领域的微球应用之广，而生产通量大，均匀性好的微球生成器，就成为了当今亟待探索及解决的问题。纵观目前液滴生成芯片趋势，大致可以分为2类，单通道微流控液滴生成器件，以及阵列微通道乳化器件(亦成为阶梯乳化，步进乳化)。最先出现的单通道微流控液滴器件，有t型结构、y型结构、聚焦流、同轴聚焦等，其优势在于液滴生成的均匀性极好，变异系数(cv值)范围普遍在1％左右，液滴尺寸可控。但是其通量上就显得充满限制，且连续相的不断输入也造成了浪费。后期，研究人员为解决以上该类问题，开发出了微通道阶梯结构阵列的液滴生成芯片，连续相可以不动，阶梯的结构利用界面张力促使发生瑞利-泰勒不稳定性，导致不同的拉普拉斯压力，从而液滴自发生成，其优势在于，其通量直接增大1-2个数量级，但与此同时，液滴的可控性变小，均匀性也做出了一定的牺牲，变异系数范围普遍在3％以上。综上两种微流控芯片的设计，皆避免不了复杂的微纳加工，尤其微通道阶梯乳化芯片，还必然涉及到套刻等复杂制作背景。

3、膜乳化工艺，通过膜孔，将分散相挤入连续相中，相较于现代商业乳化系统，如，高压阀均质机、超声均化(ush)、静同质化等，其在乳化过程中产生的剪切应力要小得多，做到了低能耗、传质性好，加之膜种丰富多样，其选择性也高。但是膜乳化的设备，均匀性还有待提升，其变异系数范围普遍在10％～20％之间，并且往往都是大型、笨重，就算在实验室中的小型膜乳化设备也是占有一定的体积，且设备的组装链接也极其复杂。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种基于微通道板的微流控膜乳化器件及制备方法。本发明主要是利用微通道板的高孔隙率通孔结构，将膜乳化原理与微流控技术相结合，实现高通量，液滴单分散性好，制备简易，体积小的微流控液滴生成器件。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一、一种基于微通道板的微流控膜乳化器件：

4、微流控膜乳化器件包括自上而下依次层叠键合的上层pdms空腔板、中层pdms空腔板和下层pdms空腔板，中层pdms空腔板的板面中心朝竖直方向上开设有贯通自身的正方形通槽，正方形通槽中嵌装有微通道板mcp，微通道板mcp具体为单边金纳米柱微通道板。

5、所述的上层pdms空腔板的下侧板面的中心朝竖直方向上开设有中间宽两侧窄的轴对称的沟道凹槽，沟道凹槽的中间部分为圆形凹槽，沟道凹槽的两端对称开设有贯通上层pdms空腔板的通孔，下层pdms空腔板和上层pdms空腔板的结构相同，下层pdms空腔板的沟道凹槽朝上，上层pdms空腔板和下层pdms空腔板的沟道凹槽的长度方向相互垂直；上层pdms空腔板和下层pdms空腔板的沟道凹槽的圆形凹槽的中心与中层pdms空腔板的正方形通槽的中心位于同一竖直线上，圆形凹槽和正方形通槽正对布置。

6、所述的上层pdms空腔板和下层pdms空腔板的沟道凹槽的深度略小于上层pdms空腔板的厚度；所述的微通道板mcp和中层pdms空腔板的正方形通槽的尺寸相同，正方形通槽的边长等于上层pdms空腔板的圆形凹槽的直径。

7、二、一种微流控膜乳化器件的制备方法：

8、方法包括如下步骤：

9、步骤1)制备上层pdms空腔板、中层pdms空腔板和下层pdms空腔板：制备上层pdms空腔板、中层pdms空腔板和下层pdms空腔板的步骤均相同，具体为将聚二甲基硅氧烷pdms溶液和固化剂混合搅拌均匀后抽真空去除气泡，获得pdms固化混合溶液，将pdms固化混合溶液倒入预先准备的各自的模具中，在热板上加热固化后获得pdms固化板，将pdms固化板从模具上取出，依次使用丙酮超声清洗、异丙醇超声清洗和di water超声清洗后再使用氮气吹干，获得上层pdms空腔板、中层pdms空腔板或下层pdms空腔板。

10、步骤2)将微通道板mcp进行疏水处理后嵌入pdms中层空腔板中间的正方形通槽中。

11、步骤3)将上层pdms空腔板、下层pdms空腔板以及嵌入微通道板mcp的中层pdms空腔板进行等离子清洗并键合后获得微流控膜乳化器件。

12、所述的步骤1)中，将20g-30g的聚二甲基硅氧烷pdms溶液和固化剂混合搅拌均匀后抽真空去除气泡，获得pdms固化混合溶液，聚二甲基硅氧烷pdms溶液和固化剂的质量比约为1/10。

13、所述的步骤1)中，将pdms固化混合溶液倒入预先准备的各自的模具中，在75℃-85℃热板上加热1.5-2.5h固化后获得pdms固化板，将pdms固化板从模具上取出，依次使用丙酮超声清洗5-10min、异丙醇超声清洗5-10min和di water超声清洗5-10min后再使用氮气吹干。

14、所述的步骤2)中，疏水处理具体采用硅烷倒蒸法，首先在玻璃皿内倒入十八烷基三甲氯基硅烷溶液，然后将微通道板mcp置于玻璃皿中，使用玻璃片将玻璃皿的顶部密封盖住，将微通道板mcp紧贴在玻璃片的底面，在110℃的烘箱中加热2h，对微通道板mcp进行倒蒸，使得十八烷基三甲氯基硅烷溶液生成的准直的疏水分子均匀附着在微通道板mcp内壁，完成疏水处理。最终得到的疏水角经过测量为130°。

15、所述的步骤3)中，将上层pdms空腔板、下层pdms空腔板以及嵌入微通道板mcp的中层pdms空腔板在100w的等离子清洗机下进行等离子清洗40-50s并依次键合后获得微流控膜乳化器件。

16、三、一种微流控膜乳化器件的液滴生成方法：

17、方法包括如下步骤：

18、所述的微流控膜乳化器件的下层pdms空腔板的两个通孔分别为第一通孔a和第二通孔b，上层pdms空腔板的两个通孔分别为第三通孔c和第四通孔d，第一通孔a连接第一注射泵，堵住第二通孔b，通过第一注射泵从第一通孔a推入连续相，进而浸没微通道板mcp；第三通孔c连接第二注射泵，通过第二注射泵从第三通孔c推入分散相，将多余的连续相从第四通孔d推出微流控膜乳化器件外，直至上层pdms空腔板的沟道凹槽内灌满分散相，堵住第四通孔d，将第二通孔b打开并连通外部收集皿，将微流控膜乳化器件生成的液滴收集至收集皿中。将分散相注射泵初步设定在50μl/min，连续相的注射泵设定在5μl/min以下，开动两台设备，对其进行液滴生成的观察。

19、本发明的有益效果是：

20、1、器件体积小，样品用量少：同为膜乳化设备，本器件结合微流控的优势，将体积小型化，微升级别的沟道，直接减少样品的用量，适用于珍贵样品，下沟道中的连续相得到了大限度的节约。

21、2、器件制备简单：本器件仅由三层pdms通过键合而成，无需繁复的沟道设计，无需复杂的微纳工艺。并且所使用的膜是直接成品，可以购买得到，也解决了微纳加工在工程制膜的各种困难。同时，该器件可以直接更换不同规格的膜，稳定地生成不同尺寸的液滴。

22、3、通量大：本器件的孔隙率为50％以上，配合使用低界面张力的两相配方。整体相较于其他微流控液滴生成器件，能够获得更大的通量，液滴生成多。

23、4、生成液滴的单分散性良好：通过找到合适的两相粘度需求，例如极低的连续相，且流速控制在临界毛细管系数内，就可以得到该器件的极限变异系数，在4％左右的单分散体系，均匀性较好。