[发明专利]一种规模化制备液滴的微流控模块

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种规模化制备液滴的微流控模块，制备出的液滴可作为模板规模化制备乳液产品，或者颗粒产品，属于微流控技术产业化应用领域。

背景技术

近年来在生物医药、化学化工领域发展起来的微流控技术在制备单重液滴和复杂液滴方面优势显著，可实现每重液滴数量和尺寸的精准控制。以制备的液滴作为模版，可合成颗粒产品或乳液产品。基于这种微流控方法，相关研究者们已经制备出不同形状、结构多样和组分复杂的高度单分散颗粒材料产品并实现精准调控，取得了一系列瞩目的成果。然而，由于微流控技术是在微通道内操纵流体，因此液滴产量很低，制约着该技术成熟应用于工业化。

微通道重复是实现高通量化的重要途径。基于这种思路，国内外研究者进行了尝试和探索，取得了一些进展。到目前为止，这篇文章中(Lab on a chip.2014,14,3011)微流控装置液滴产量最高，高达1.5L/h。英国Dolomite公司也开发了Telos系统大规模制备乳液。然而，这个通量仍难以满足工业实际的需求量；这些装置往往只采用二维空间里并联的方式，很少考虑在多个维度上实现多级放大；同时，纵观各代表性研究成果，芯片材料大都采用硅玻璃(深离子反应刻蚀)和PDMS(光刻蚀技术)，芯片制作复杂，周期较长，成本较高。另外，这些芯片的最小通道尺寸在几十微米左右，极容易堵塞，运行不可靠，更难以适用于工业中高粘度流体的应用。因此在低成本下实现更稳定和更高的液滴产量是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种规模化制备液滴的微流控模块。应用本发明所涉及的微流控模块或者基于此模块化的系统，可实现规模化的液滴或乳液产量。总产量P＝η×(N×M×Q)，与N，M，Q分别成正相关，其中η为单通道产量，N为每个芯片组并联通道个数，M为每个模块堆叠芯片组个数，Q为系统集成模块数。

N直接影响模块基体的大小，N越大模块基体尺寸越大；通过实验研究，M对产品特征参数(粒径分布等)影响最大，其次是N；Q主要是以制造和操作误差影响最终产品。若对产品的特征参数要求很高，则可适当减少M；若对空间的利用有限制，可减小N和Q的数值，提高M。因此，可根据实际中对空间利用、产量需求、所得产品特征参数等来合理权衡三个参数，达到最优的一种效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种规模化制备液滴的微流控模块，其具体实现方式为：

(1)每个芯片组由三个功能区组成，分别为连续相和分散相流体分配功能区和液滴制备功能区，以及若干辅助区；

(2)为防止三个功能区的通道交叉或者流体接触，三个功能区布置在不同的平面层，并由辅助层隔开，以合理的次序排布，实现芯片组的功能要求；

(3)芯片组中并联制备通道的数目N可根据空间利用及相关加工设备决定，芯片组基体尺寸越大，并联的通道数越多；

(4)为实现良好的微流体分配效果，流体分配功能区采用狭小的蛇行通道，由中间缓冲区经蛇形通道分配到液滴制备区各个单元入口；

(5)蛇形分配的设置情况按照文献中报道的实现流体均匀分布的准则进行计算校核，保证在满足均匀性要求的条件下，尽量减少空间的利用；

(6)每个芯片组额外设置两个通孔，以组成竖直通道，且与各分配功能区中间缓冲区相连，这是第二级放大叠加过程的核心；

(7)多个芯片组竖直叠加成模块，由于流经分配功能区中间缓冲区时下游存在较大的液相阻力，不同芯片组的高度差产生的压力变化可忽略，实现比较均匀的竖直方向的流体分配；

(8)整个模块堆叠芯片组的数量M可由实际情况确定，堆叠数量越多，产量越高，效率越高，但是会降低产品的特征参数；反之，堆叠数量越少，产品的特征参数越好；

(9)第一组芯片竖直管路连接相应的给样泵，最后一组芯片连接盲孔结构，模块完成；整个模块只需要一组泵的驱动，减少了泵的消耗；

(10)所有芯片组结构完全一样，多级放大是针对某特定的重复单元在多个维度上进行放大，更适合批量化加工；

(11)模块运行数量Q之间相互独立，也可根据实际产量需求，适合的增加或减少工作的模块数量，操作灵活性更大。

多个制备液滴单元在二维平面并联成为一个芯片组，多个芯片组在三维空间内竖直堆叠作为一个模块，多个模块集成共同运行实现多级放大；

模块的堆叠单元芯片组，芯片组并联多个液滴制备单元，可根据空间利用及相关加工设备条件增加或减少并联个数；