侧壁沟通式十字交叉微圆通道装置中明胶微液滴的生成及操纵

论文摘要

微流控技术(microfluidics)作为一门多学科交叉的研究领域,越来越受到重视,其中作为生物实验缩微重要方向的微流控芯片液滴制备技术,成为近年来快速发展的热门方向。本论文主要探讨基于微丝模塑工艺的侧壁沟通式十字交叉微圆通道装置中明胶微液滴的制备与操纵。首先,基于微丝模塑工艺探讨加工十字交叉、侧壁沟通的微圆通道装置,探讨了在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基板上结合微丝模塑工艺来加工具有新结构构型的微流控通道装置的可能性。并以十字交叉微通道为基础,通过封堵交叉通孔一侧的通道,构建了T型侧壁沟通微圆通道。其次,在上述加工的微通道装置基础上,探讨气/液、液/液两相微流控条件下微液滴的生成行为,尤其侧重于考察液/液两相操纵下明胶液滴的生成情况。实验结果表明:生成明胶液滴所需要的最小的分散相/连续相流量比与油相种类、通道直径以及明胶溶液的浓度有关。①微通道直径为150μm,分散相为2%的明胶溶液时,硅油和食用油分别作为连续相的最小流量比分别为75和15。②食用油作为连续相,2%的明胶溶液为分散相,在微通道直径为150μm、100μm、80μm、60μm和40μm时,最小流量比分别为15、22.5、27.5、36.5、51才能生成明胶液滴。③微通道直径为150μm,食用油作为连续相,明胶溶液为分散相且浓度分别为1%、2%、3%、4%、5%时,最小流量比相应为12.5、15、20、31.5、41。通过这一系列试验证明明胶液滴产生的最佳条件是微通道直径150μm,连续相为食用油,分散相为2%(w/v%)明胶溶液浓度,两者流量比为16时可以稳定得到直径为140μm的明胶液滴,生成频率为6个/min,并且此时的液滴呈球状即明胶微球,进一步说,在交叉沟通微圆通道中我们制备出了明胶微球。第三,对比了在T型通道与十字交叉通道中生成明胶液滴所需要的分散相与连续相的流量比值,T型通道中由于明胶出口单一,所以生成液滴所需压力更小,前者得到明胶液滴的最小流量比值为9,而后者则是15,生成明胶液滴的频率分别为36个/min和2个/min。另外,在新改进的PDMS/PMMA微通道中实现了明胶微液滴的生成及操纵(液滴收集)。最后,基于上述微通道装置中液滴生成行为的认识,进一步探讨了在微通道流动流程下游的交叉通孔处,操纵液滴实施固定的可能方式。利用侧壁沟通式十字交叉微圆通道的特殊结构构造以及作为分散相的明胶溶液的生物化学特性,将生成的液滴用不同的方法在交叉通孔处进行了固定和收集。明胶(或琼脂)溶液在温度降低到凝固点以下时会变成固态,利用氮气压力或连续相的流动将生成的液滴推动到交叉通孔表面,然后将整个芯片装置置于4℃冰箱中冷存,明胶(或琼脂)液滴由于受冷凝固便固定于了交叉通孔处。通道成形前布微丝时,在微丝表面点微量油滴,固化后在芯片中便形成依附于微通道的孔状结构。交叉通孔处形成的微液滴流动到气孔时,便被“截留”固定于此处。而对液滴的应用也做了一定的初探,成功的操纵明胶液滴对细胞的包裹和单细胞的分离,并对在交叉沟通微圆通道内进行细胞培养做了简单介绍。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微型化技术
• 1.2.2 微流控芯片及应用
• 1.2.3 微液滴概述
• 1.2.4 明胶微球
• 1.3 研究目的和内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 技术路线
• 2 应用于微液滴生成的侧壁沟通式十字交叉微圆通道的制作
• 2.1 侧壁沟通式十字交叉PDMS 微圆通道的制作
• 2.1.1 材料
• 2.1.2 方法
• 2.2 PDMS/PMMA 侧壁沟通式十字交叉微圆通道的制作
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 方法
• 2.3 侧壁沟通式十字交叉微圆通道制作过程中的注意事项
• 2.4 小结
• 3 侧壁沟通式十字交叉微圆通道中微液滴的制备
• 3.1 气/液两相操纵下的微液滴制备
• 3.1.1 实验所用仪器及材料
• 3.1.2 实验方法及结果
• 3.2 液/液两相流动操纵下的明胶微液滴的制备
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 实验准备
• 3.2.3 不同油相下明胶液滴的生成对比
• 3.2.4 微通道直径对明胶液滴形成的影响
• 3.2.5 明胶溶液浓度对明胶液滴形成的影响
• 3.2.6 T 型通道与十字交叉通道生成明胶液滴时的区别
• 3.2.7 PDMS/PMMA 侧壁沟通式十字交叉微圆通道用于微液滴的产生
• 3.3 明胶液滴生成过程中的影响因素
• 3.4 小结
• 4 明胶在侧壁沟通式十字交叉微圆通道中的操纵
• 4.1 引言
• 4.2 明胶在交叉通孔的固定
• 4.2.1 星形通道
• 4.2.2 交叉通孔处薄膜型
• 4.2.3 利用琼脂或明胶的化学特性固定
• 4.2.4 利用气孔结构固定
• 4.3 小结
• 5 明胶微液滴的应用初探
• 5.1 引言
• 5.2 微流控通道中微液滴应用
• 5.3 小结
• 6 结论及后续工作建议
• 6.1 结论
• 6.2 后续工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录