本发明专利技术属于生物工程技术领域，具体是一种多通道集成微流控芯片及其高通量制备单分散凝胶微球的方法。包括至少两层通道结构，每层通道结构均设有液相输入通道，其中一层通道结构设有液滴生产单元和收集通道；液相输入通道主要包括液相输入端口以及阻力控制单元；液滴生产单元包括多相乳化通道以及局部阻力控制单元；收集通道包括清洗通道，清洗相输入端口和产品输出端口。本发明专利技术芯片的多重阻力控制模块以及清洗通道巨大化尺寸设计显著降低了生产中各液滴生产单元内的流量差异，提高了生产效率。此外，本芯片可以以百倍于传统单通道的通量实现高细胞活性微凝胶的连续稳定生产，大幅提高生产效率，为其实际应用提供了广泛前景。景。
【技术实现步骤摘要】
一种多通道集成微流控芯片及其高通量制备单分散凝胶微球的方法
[0001]本专利技术属于生物工程
，具体是一种多通道集成微流控芯片及其高通量制备单分 散凝胶微球的方法。
技术介绍
[0002]微流控液滴技术是基于微流控芯片精确控制不互溶多相流体的微加工技术，该技术可实 现连续进样，快速生产单分散性、可精确控制尺寸的微凝胶或微胶囊。与传统的油包水(W/ O)或水包油(O/W)单乳液液滴技术相比，可通过具有T型流道或流体聚焦结构的微流控 装置制备出具有均一尺寸的单乳液液滴。并且可以此为模板，通过不同聚合方式制备单分散 的微凝胶。然而，和传统乳液法相同，微流控单乳液液滴技术并不适用于连续加工载生物活 性物质微凝胶。这是由于1)传统微流控技术同样基于乳液液滴，需要连续生产制备乳液液 滴，随后固化液滴中的水凝胶预聚体获得微凝胶，但在制备样品的过程中，被固载的活性物 质会长时间暴露在油相、表面活性剂、交联剂等而造成材料毒性；2)同时制备过程需要在收 集含有微颗粒的液滴后，进行第二步的清洗，通过不同的方式清洗油相和表面活性剂，此步 骤不但耗时耗力，同时清洗之前微颗粒中的搭载物都无法与外界进行物质交换；3)传统单通 道微流控技术的生产率约104个液滴/秒(即10
7-108个液滴/小时)，而内相水溶液的流速在 0.3-1ml/小时，该生产率仍远无法满足生物医学领域应用的需求(Liu,H.et al.Advances inHydrogel-based Bottom-Up Tissue Engineering.SCIENTIA SINICA Vitae45,256-270)。
[0003]其中，以载细胞微凝胶的实际应用为例。载细胞微凝胶作为模块化组装工程的基本元件， 在单细胞行为研究以及组织3D打印中有着良好的应用前景。现有实验室水平基于单个流体 聚焦生产单元的微流控液滴技术，已经很容易通过液相流量，通到尺寸控制，达成载少量单 分散载单细胞微凝胶的制备，并且细胞活性也已十分可观，后续的细胞分化诱导、体内植入 也有一定的进展(Choi,C.H.et al.One-step generation of cell-laden microgels using doubleemulsion drops with a sacrificial ultra-thin oil shell.Lab Chip 16,1549-1555；Zhang,L.et al. Microfluidic Templated Multicompartment Microgels for 3D Encapsulation and Pairing of SingleCells.Small14)。然而，现有微流控细胞固载技术的生产效率仍然是主要瓶颈。由于微流控固 载细胞过程中需要避免高流速产生的剪切力对细胞的伤害，现有单通道微流控技术的生产率 通常为103～104个液滴/秒(即10
7-108个液滴/小时)，每小时可处理的细胞悬液量约为0.3-1ml。 而人体组织通常的细胞密度在108个细胞/ml以上，这意味着以单细胞固载微凝胶为基本单元 构建1ml体积的类组织需要进行10小时以上的微凝胶微流控连续生产。另一方面，在临床细 胞治疗应用方面，每次的给药量是在108～109个细胞的量级，这意味着制备这样量级的细胞胶 囊需要10小时以上的微凝胶微流控连续生产。这样的生产效率大大限制了用于细胞固载的微 流控技术在临床方面的实际应用。
[0004]由于单通道微流控液滴技术受产率所限，如何提高微流控液滴技术的通量已经是领域内 的重要问题。基于已有的使用单个液滴生产单元生产微液滴的微流控液滴技术，近年来，针 对微流控放大技术，通过集成大量液滴生产单元的高通量生产技术研发已经取得了一定的进 展。Femmer等人通过提高整体通道尺寸的方式，显著降低整体通道的流体阻力，实现了一定 数量的液滴生产单元集成，并达成了大尺寸液滴的高通量生产(T.Femmer,A.Jans,R.Eswein, N.Anwar,M.Moeller,M.Wessling,A.J.Kuehne,High-Throughput Generation of Emulsions andMicrogels in Parallelized Microfluidic Drop-Makers Prepared by Rapid Prototyping.ACS ApplMater Interfaces，2015，7(23)，12635-8)。Jeong等人采用具有远大于液滴生产单元通道截面 积的液相分配通道，来显著降低由于液相分配导致的流量分布差异，大幅提高液滴生产单元 集成度，并在高精度加工的玻璃-单晶硅芯片内实现了高达7.3升每小时的微液滴产量 (Yadavali,S.,Jeong,H.H.,Lee,D.&Issadore,D.Silicon and glass very large-scale microfluidicdroplet integration for terascale generation of polymer microparticles.Nat Commun9,1222)。 Nisisako等人选用环状排布的集成芯片，使用圆盘状或环状的方式来进行分配，实现进入各 通道前的通道阻力均等化，以此实现流量均匀分配，进而实现液滴生产单元的大量集成以及 乳液液滴的高通量生产(Nisisako,T.,Ando,T.&Hatsuzawa,T.High-volume production ofsingleand compound emulsions in a microfluidic parallelization arrangement coupled with coaxialannular world-to-chip interfaces.Lab Chip12,3426-3435)。Conchouso等人在采用环形排布的同 时，在液相分配与收集通道中采用了对称分支的方式，在减小误差的同时也一定程度上避免 了由于圆盘状或环状这类开放通道中产生的堵塞问题，显著提高集成化生产装置的稳定性(D. Conchouso,D.Castro,S.A.Khan,I.G.Foulds,Three-dimensional parallelization of microfluidicdroplet generators for a litre per hour volume production of single emulsions.Lab Chip，2014， 14(16)，3011-3020)。
[0005]然而这一系列高通量方法基本基于宽通道统一输送，进入窄通道进行分配的设计思路。 在该思路设计下，利用窄通道较高的流体阻力来平衡宽通道分配带来的阻力差异，从而保持 了生产单元间的流态一致。然而引入细胞之后，宽通道内较低的流速以及宽窄通道间的切换 结构极易导致液相内各种颗粒(细胞、细胞碎片、微凝胶)的堆积本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多通道集成微流控芯片，其特征在于，包括至少两层通道结构、至少两个液相输入通道、至少两个液滴生产单元、以及一个收集通道；每层通道结构上均设有液相输入通道，其中一层通道结构上设有液滴生产通道单元，收集通道包含在其中一层通道结构中或贯穿多层通道结构；每个液相输入通道包括至少一个液相输入端口(1)，液相输入端口(1)连接至少1个阻力控制单元(2)，每个阻力控制单元对应一个输出端口(3)；液滴生产通道单元包括依次相连通的输入端口(4)、液相输入通道(5)、乳化通道(6)、输出通道(7)、局部阻力控制单元(8)；其中，不同层通道结构上的输出端口(3)与输入端口(4)相对应并经微流控通道相连通，相同层通道结构上的阻力控制单元(2)直接连接乳化通道；收集通道包括清洗通道(9)，清洗相输入端口(10)和产品输出端口(11)。2.根据权利要求1所述的多通道集成微流控芯片，其特征在于，输入液相数量＝2时，两液相分别由所述多通道集成微流控芯片的最外层通道结构的液相输入端口(1)输入；输入液相数量≥3时，非最外层通道结构的液相输入端口分别通过水平输入通道(12)连接至芯片侧面输入液相。3.根据权利要求1所述的多通道集成微流控芯片，其特征在于，所述芯片内液相输入通道、液滴生产单元均以液相输入端口为中心，呈中心对称式排布，各液相输入通道的液相输入端口(1)均处于同一纵轴。4.根据权利要求1所述的多通道集成微流控芯片，其特征在于，阻力控制单元(2)结构选取网状槽、环型槽、S型通道单元中的一种或几种组合；局部阻力控制单元(8)结构选用局部卡口结构、S型通道结构或扩大腔结构中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的多通道集成微流控芯片，其特征在于，液滴生产单元内的乳化通道(6)结构选用流体聚焦结构、T型结构、同向流动型结构中的一种或几种。6.根据权利要求1所述的多通道集成微流控芯片，其特征在于，所述芯片液滴生产单元内的通道，宽度范围为5μm～500μm...
【专利技术属性】
技术研发人员：王华楠，张昊岳，安传锋，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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