[发明专利]流动聚焦微流装置的尺度放大

说明书

美国联邦政府资助的研究项目

获得本发明各个方面的研究至少部分由批准号为DMR-0213805的美国国家科学基金资助。美国政府具有本发明的一些权利。

相关申请

本申请要求由Romanowsky等人2009年3月13日提交的名称为“微流装置的尺度放大(Scale-up of Microfluidic Devices)”的美国专利临时申请序列号61/160,184和由Romanowsky等人2009年7月7日提交的名称为“微流装置的尺度放大(Scale-up of Microfluidic Devices)”的美国临时专利申请序列号61/223,627的权益，所述两个临时专利申请都以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明总体涉及流动聚焦式技术，并且还涉及微流控制技术，更特别地涉及并行使用微流系统和用于将流体组分输送到多个这样的装置的系统，所述微流系统布置用于控制分散剂中的分散相和所述多相流体系统中分散相的尺寸及尺寸分布。

背景技术

为了流体输送、产品制造、分析等，对流体进行控制以形成期望构型的流体流、不连续的流体流、颗粒、分散体等是比较仔细研究的技术。例如，已经使用称为毛细流动聚焦的技术制备了直径小于100微米的高度单分散性的气泡。在该技术中，将气体驱出毛细管进入液体浴中，毛细管设置在一个小孔上方，外部液体通过该小孔的收缩流动使气体聚焦为细的射流，所述细的射流随后由于毛细不稳定性而破碎为等尺寸的气泡。在相关的技术中，类似的装置可用于在空气中制备液滴。

微流控制技术是涉及在非常小的尺度下控制流体流动的技术领域。微流装置通常包括非常小的通道，流体在所述通道中流动，所述通道可分支或以其它方式布置用于使流体彼此混合，以将流体转移到不同的位置，引起流体之间的层流，稀释流体等。已经向“晶片实验室(lab-on-a-chip)”微流技术投入了巨大努力，其中研究人员试图在晶片或微流装置上的非常小的尺度上进行已知的化学或生物反应。另外，正在使用微流控制技术开发不需要在宏观尺度上知道的新技术。在微流尺度下正在研究或开发的技术的示例包括高通量筛选技术、药物输送、化学动力学测量、组合化学(其中需要快速测试化学反应、化学亲和力和微结构形成)以及物理、化学和工程领域中基础问题的研究。

对分散体领域进行了仔细研究。分散体(或乳液)是通常为流体的两种材料的混合物，由一种分散在另一种中的至少两种不相容(不能溶混)的材料的混合物限定。即，一种材料破碎为由另一相(分散剂或连续相)包围的小的隔离区域或微滴，第一相携带在所述另一相中。分散体的示例可在包括食品和化妆品行业等很多行业中找到。例如，洗液通常为分散在水基分散剂中的油。在分散体中，控制分散相微滴的尺寸可影响总体产品性能，例如洗液的感觉。

分散体的形成通常在包括运动部件的设备(例如混合器或类似设计用于破碎材料的装置)中进行，所述设备可能易于损坏，并且在很多情况下，不适用于控制非常小的分散相微滴。特别地，传统的工业方法通常涉及构建用于在通常不适用于精细的小分散体控制的尺寸等级下操作的制造设备。膜乳化是一种使用微米尺寸的孔来形成乳液的小尺度技术。但是，分散相的多分散性可能在一些情况下受薄膜的孔尺寸限制。

不连续流体的批量生产易于在产品均匀性方面存在问题。对于复杂结构，例如双重乳液(微滴包微滴)或三重乳液(微滴包微滴包微滴)，这些问题可能是复合的。对于双重或三重乳液的另一个问题是差的包封率，其中大量的最里层相泄漏到最外层相中，这可能限制这样的乳液作为用于例如药物、香料或香精等高价值或挥发性化合物的载体的有用性。相反，微流装置可基本上通过在单个微滴水平上控制乳液形成来制备具有非常高均匀性和包封率的多重乳液。这样的控制基本上以一次形成一滴乳液微滴的速度来形成乳液微滴的代价进行，每一个微流装置每小时仅制备几分之一毫升数量级的小量产物。本发明部分涉及满足提高微流装置产物的需要。

虽然存在很多涉及多相系统控制的技术，但是仍需要改进对分散相尺寸、尺寸范围(多分散性)和其他因素的控制。

发明内容

本发明总体涉及流动聚焦式技术，并且还涉及微流控制技术，更特别地涉及并行使用微流系统和用于将流体组分输送到多个这样的装置的系统，所述微流系统布置用于控制分散剂中的分散相和所述多相流体系统中分散相的尺寸及尺寸分布。本发明的主题在一些情况下涉及相互关联的产品、对于特定问题的替代解决方案和/或一个或多个系统和/或物品的多种不同用途。