[发明专利]一种3D打印制成的微流体装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备微胶囊的微流体装置，特别是用3D打印技术制成的这种装置，属于纳米科学和医药制备技术领域。

背景技术

微流体技术在科学仪器中早有应用，例如流式细胞仪的原理就是将细胞分散在水介质中，让细胞分散液流过一个很细的毛细管，只允许细胞一个一个地通过，从而实现细胞的检测和分选。随着纳米科学和技术的发展，微流体显示了新的生命力，成为制备微米和纳米小球和囊泡的重要方法，相应地，微流体的流动、混合、表面和界面行为得到深入的研究，有了长足的发展，各种获得微流体的装置也应运而生。这些装置主要分两大类。一类的流体通道是用刻蚀的方法形成的，它的特点是流道很细，在微米量级，因而用它制备的颗粒可达纳米大小，且均匀，但它的制造工艺复杂，成本很高，将微米通道转接到常用管道在技术上有很多困难，因而此方法很难普及和工业放大。另一类通过机械加工的方法获得流体通道，一般在毫米至亚毫米范围，因而所获得的微球或胶囊一般在几十至几百微米的量级。如何加工出更细的流道，获得更小的粒径，是此方法今后发展的关键所在。除了减小流道的孔径外，利用流体和微流体的流体力学特性，进行微流体池的特殊设计，以及将微流体技术与自组装技术相结合，都是获得更小粒径的可能途径，但这方面的报道很少。

零维纳米技术的发展，说到底，就是微米或纳米微粒、胶束和胶囊的制备和应用。其中微米和纳米胶囊具有十分重要的意义。首先，它可以包药，因为它的内水相的相对体积很大，可以容纳水溶性的药物，特别是多肽、蛋白质和核酸类药物，而这类药物至今还没有找到合适的担载输送体系。其次，微米和纳米胶囊是对细胞壁的最好的模拟，研究微米和纳米胶囊的理化性质有助于人们加深对细胞行为的了解，探索更多生命的奥秘。第三，微米和纳米胶囊还是一种微反应器，人们研究微米和纳米胶囊中的各种化学反应，特别是与生命活动有关的反应，如霉促合成和酶促水解，不但会加深对生命过程的认识，还有可能创造出更高效更环保的化学反应过程。

微米和纳米胶囊的制备一般采用“乳化”的方法，即首先制成内水相溶液在油相溶液中的乳液，然后将这种乳液分散到水性介质即外水相中，形成“水包油包水（W/O/W）”乳液，亦称“双乳液”。这种方法的缺点是在第二次分散的时候，要将油相溶液从连续相打碎成分散相，在这个过程中内水相和外水相往往发生融合，得到的实际是O/W乳液或O/W、W/O/W混合物，内水相中的药物往往跑到外水相中，包药效率很低。为了避免内外水相的融合，人们设想在第一步形成W/O时，油相外皮很薄，不需要用很大的能量将其破碎即可形成W/O/W乳液。其中，动态连续乳化法就是一种成功的尝试。它的原理见图1。内水相和油相同轴流动，由于表面张力的作用，在出口处形成双层液珠，在快速流动外水相的带动下，液珠拉长出现细颈、细颈断裂变成囊泡，继续前行，通过管状出口。在实验室条件下，上述内水相出口、油相出口和乳液入口的尺寸可以做到1mm左右，实验证明是成功的，所获得的囊泡外径约在200μm上下。实验还证明：内水相、油相和外水相的局部的同向同轴流动和外水相相对快得多的流速，是形成W/O/W乳液的必要条件，所形成乳滴的尺寸可以小到出口尺寸的1/5到1/10。目前文献报道的动态连续法所制备的囊泡，尺寸大多在200～100μm范围。由于加工方法的限制，内水相和油相管道的出口尺寸很难做小，外水相的相对流速很难进一步提高。

三维（3D）打印是制备纳米结构的最有效的方法之一，本世纪以来获得了飞速的发展，各种各样的3D打印技术及相应设备研制成功并商品化，金属、塑料、单体等都可以打印，打印的精度已经达到0.1mm（塑料打印）或微米量级（感光树脂打印），因而可以加工结构复杂、精度要求高、机械加工和注塑成型无法完成的物件。这为发展机械加工类微流体技术提供了可能。

发明内容

本发明的内容，就是将3D打印技术应用于微流体装置的制造，形成特殊的流道结构，以便获得较小的粒径，并用简单的方法实现流体的多通道输入和输出。

由图1所示原理和文献报道可知：此方法的可调整参数有：(1)内水相、油相和外水相的组成和浓度，以及由组成和浓度所决定的黏度和表面张力，(2)内水相管1、油相管2、外水相管3和乳液收集管4结合部位的几何形状、尺寸大小和相对位置，(3)内水相、油相和外水相的流速，(4)上述管路材料表面的亲疏水性。本发明主要涉及第(2)和第(3)项，即如何通过3D打印，获得精密的内水相管1、油相管2、外水相管3和乳液收集管4结合部位的几何形状、尺寸大小和相对位置，提高结合部位外水相的相对流速，以及如何实现内外管路的连接。

图2给出了本发明的基本设计，要点如下：