用于快速生產(chǎn)微滴的設(shè)備和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年5月14日提交的、標(biāo)題為"RapidProductionofDroplets" 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列No. 61/823, 175的權(quán)益，該專利申請(qǐng)通過引用全部并入本文。
[0003] 政府資助
[0004] 本發(fā)明各個(gè)方面的研究至少部分由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)贊助，批準(zhǔn)號(hào)為 DMR-0820484和DMR-1006546。美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明有一定權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明總體上涉及一種流體微滴的生產(chǎn)。
【背景技術(shù)】
[0006] 乳劑在日常生活中普遍存在；許多食品（例如牛奶、蛋黃醬或沙拉醬）和某些類型 的油漆都是乳劑。單一乳劑的微滴還能夠用作模板以制造微粒，所述微粒用作用于運(yùn)送目 的的載體或用作分層2D和3D材料的構(gòu)建塊。特別是如果用作模板以制造微粒子或膠囊， 重要的是，密切控制微滴的大小和組分。這些參數(shù)能夠被控制的程度由組裝路線決定；最廣 泛使用的技術(shù)包括塊乳化、膜濾和微流組裝。塊乳化技術(shù)允許以較高產(chǎn)量地生產(chǎn)乳劑，這使 其對(duì)于工業(yè)應(yīng)用是有吸引力的。然而，對(duì)所產(chǎn)生的微滴的大小的控制較差，導(dǎo)致較廣的大小 分布。相反，微流組裝使得能夠組裝單分散微滴并且對(duì)微滴的大小具有較好的控制；這通過 每次單個(gè)微滴的可控成形和微滴制造器實(shí)現(xiàn)。然而，其代價(jià)在于產(chǎn)量較低。
[0007] 盡管微流技術(shù)提供了對(duì)微滴大小和組分的較好控制，但是低生產(chǎn)量限制了微流技 術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用并且限制用來生產(chǎn)用于組裝新型分層2D和3D材料的微粒構(gòu)建塊。對(duì)于 許多應(yīng)用，膜乳化技術(shù)存在有吸引力的折中：該技術(shù)的生產(chǎn)量顯著高于微流技術(shù)所達(dá)到的 生產(chǎn)量，而微滴的大小分布顯著低于通過塊乳化路線生產(chǎn)的微滴的大小分布。然而，通過膜 乳化技術(shù)生產(chǎn)的微滴的多分散性隨著微滴的平均大小的增加而增加。因此，以高生產(chǎn)量生 產(chǎn)單分散微滴仍是主要挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明大體涉及流體微滴的生產(chǎn)。在一些情況中，本發(fā)明的主題涉及相關(guān)產(chǎn)品、對(duì) 特定問題的替代性解決方案、和/或一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)和/或物品的多種不同用途。
[0009] 在一個(gè)方面，本發(fā)明總體上涉及一種設(shè)備，例如，微流設(shè)備。根據(jù)一組實(shí)施例，該設(shè) 備包括第一微流通道、第二微流通道、和每個(gè)均使第一微流通道與第二微流通道相連接的 至少五個(gè)側(cè)微流通道。在一些實(shí)施例中，第一微流通道的橫截面面積是所述至少五個(gè)側(cè)微 流通道的最小橫截面面積的至少20倍。
[0010] 根據(jù)另一組實(shí)施例，設(shè)備包括長(zhǎng)度為至少約5毫米的第一微流通道、基本平行于 第一微流通道的第二微流通道、和每個(gè)均使第一微流通道與第二微流通道相連接的至少五 個(gè)側(cè)微流通道。
[0011] 在再另一組實(shí)施例中，設(shè)備包括長(zhǎng)度為至少約5毫米的第一微流通道、第二微流 通道、每個(gè)均使第一微流通道與第二微流通道相連接的至少五個(gè)側(cè)微流通道、第三微流通 道、和每個(gè)均使第二微流通道與第三微流通道相連接的至少五個(gè)側(cè)微流通道。
[0012] 在又另一組實(shí)施例中，設(shè)備包括第一微流通道、第二微流通道、每個(gè)均使第一微流 通道與第二微流通道相連接的至少五個(gè)側(cè)微流通道、和連接至所述至少五個(gè)側(cè)微流通道中 的每一個(gè)的多個(gè)輔助微流通道。
[0013] 在另一組實(shí)施例中，設(shè)備包括第一微流通道、第二微流通道、和每個(gè)均使第一微流 通道與第二微流通道相連接的至少五個(gè)側(cè)微流通道。在一些情況中，所述至少五個(gè)側(cè)微流 通道中的每一個(gè)的長(zhǎng)度在側(cè)微流通道的平均長(zhǎng)度的約90%到約110%之間。
[0014] 根據(jù)另一組實(shí)施例，設(shè)備包括第一微流通道、第二微流通道、和每個(gè)均使第一微流 通道與第二微流通道相連接的至少五個(gè)側(cè)微流通道。在一些情況中，所述至少五個(gè)側(cè)微流 通道中的每一個(gè)的橫截面面積在側(cè)微流通道的平均橫截面面積的約90%到約110%之間。
[0015] 根據(jù)再另一組實(shí)施例，設(shè)備包括第一微流通道、第二微流通道、和每個(gè)均使第一微 流通道與第二微流通道相連接的至少五個(gè)側(cè)微流通道。在一些情況中，所述至少五個(gè)側(cè)微 流通道中的每一個(gè)的容積在側(cè)微流通道的平均容積的約90%到約110%之間。
[0016]在又另一組實(shí)施例中，設(shè)備包括第一微流通道、第二微流通道、和至少五個(gè)側(cè)微流 通道，每個(gè)側(cè)微流通道均具有基本相同的尺寸，并且每個(gè)側(cè)微流通道均使第一微流通道與 第二微流通道相連接。
[0017] 在另一方面，本發(fā)明總體上涉及一種方法。在一組實(shí)施例中，所述方法包括使第一 微流通道中的第一流體通過至少五個(gè)側(cè)微流通道流動(dòng)到包含在第二微流通道中的第二流 體內(nèi)。在一些情況中，第一流體在第二微流通道內(nèi)形成多個(gè)微滴，每個(gè)微滴的特征尺寸在所 述多個(gè)微滴的平均特征尺寸的約90%到約110%之間。
[0018] 根據(jù)另一組實(shí)施例，所述方法包括使第一微流通道中的第一流體通過至少五個(gè)側(cè) 微流通道流動(dòng)到包含在第二微流通道中的第二流體內(nèi)的步驟。在一些情況中，所述至少五 個(gè)側(cè)微流通道中的每一個(gè)對(duì)第一流體的流動(dòng)阻力在第一流體通過側(cè)微流通道的平均流動(dòng) 阻力的約90%到約110%之間。
[0019]在又另一組實(shí)施例，所述方法包括步驟：使第一微流通道中的第一流體通過至少 五個(gè)側(cè)微流通道流動(dòng)到包含在第二微流通道中的第二流體內(nèi)，其中，第一流體在第二微流 通道內(nèi)形成多個(gè)微滴；并且使包含在第二微流通道內(nèi)的所述多個(gè)微滴通過至少五個(gè)側(cè)微流 通道流動(dòng)到包含在第三微流通道中的第三流體內(nèi)，其中，所述多個(gè)微滴形成包含在第三流 體內(nèi)的多個(gè)雙重乳劑微滴。
[0020] 根據(jù)再另一組實(shí)施例，所述方法包括使第一微流通道中的第一流體通過至少五個(gè) 側(cè)微流通道流動(dòng)到包含在第二微流通道中的第二流體內(nèi)、同時(shí)使第三流體流入到所述至少 五個(gè)側(cè)微流通道中的每一個(gè)中的步驟。在某些實(shí)施例中，第一流體形成被第三流體包圍的 微滴，第三流體形成被第二流體包圍的微滴。
[0021] 在另一方面，本發(fā)明涵蓋制造本文所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例（例如，本文所討論 的設(shè)備）的方法。在另一方面，本發(fā)明涵蓋使用本文所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例（例如，本文 所討論的設(shè)備）的方法。
[0022] 結(jié)合附圖考慮，通過下文對(duì)本發(fā)明的各個(gè)非限制性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的 其他優(yōu)點(diǎn)和新穎性特征將變得顯而易見。如果本說明書與通過引用并入本文的文獻(xiàn)存在沖 突和/或矛盾的公開內(nèi)容，則以本說明書為準(zhǔn)。如果通過引用并入本文的兩個(gè)或更多個(gè)文 獻(xiàn)相對(duì)于彼此存在沖突和/或矛盾的公開內(nèi)容，則以具有在后有效日期的文獻(xiàn)為準(zhǔn)。
【附圖說明】
[0023] 參照附圖，以示例的方式對(duì)本發(fā)明的非限制性實(shí)施例進(jìn)行描述，所述附圖是示意 性的并且不旨在按比例繪制。附圖中示出的相同或相似的部件典型地由單一附圖標(biāo)記表 示。出于清楚的目的，不是所有部件都在每個(gè)附圖中標(biāo)注出，在示出對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員了 解發(fā)明來說不必要時(shí)，也沒有示出本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例的所有部件。附圖中：
[0024] 圖1A-圖1C不出了根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的各種設(shè)備；
[0025] 圖2A-圖2B是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的設(shè)備的光學(xué)顯微圖像；
[0026] 圖3A-圖3B示出了在本發(fā)明的一些實(shí)施例中對(duì)微滴大小的控制；
[0027]圖4示出了在本發(fā)明的另一實(shí)施例中側(cè)通道的寬度與微滴大小的關(guān)系；
[0028] 圖5A-圖5B不出了根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的微滴大?。?br>[0029] 圖6A-圖6B示出了在本發(fā)明的又一實(shí)施例中流率對(duì)微滴的影響；
[0030] 圖7A-圖7B示出了在本發(fā)明的又另一實(shí)施例中流率對(duì)微滴的影響；
[0031] 圖8示出了在本發(fā)明的另一實(shí)施例中的微流通道；
[0032] 圖9A-圖9B示出了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中對(duì)微滴大小的控制；
[0033] 圖10A-圖10B示出了在本發(fā)明的另一實(shí)施例中對(duì)微滴大小的控制；
[0034] 圖11A-圖11B示出了在本發(fā)明的又另一實(shí)施例中對(duì)微滴大小的控制；
[0035] 圖12A-圖12B示出了在本發(fā)明的又一實(shí)施例中對(duì)微滴大小的控制；
[0036]圖13示出了在本發(fā)明的又一實(shí)施例中的微流裝置；
[0037] 圖14A-圖14B不出了根據(jù)本發(fā)明的另外的實(shí)施例的各種設(shè)備；
[0038] 圖15A-圖15B示出了在本發(fā)明的又另一實(shí)施例中的設(shè)備；
[0039] 圖16A-圖16F示出了在本發(fā)明的又一實(shí)施例中的設(shè)備；
[0040] 圖17A-圖17C示出了在本發(fā)明的某些實(shí)施例中微滴的形成；
[0041] 圖18A-圖18D示出了在本發(fā)明的一些實(shí)施例中微滴的產(chǎn)生；
[0042] 圖19A-圖19E示出了在本發(fā)明的一些實(shí)施例中壓力對(duì)微滴產(chǎn)生的影響；
[0043] 圖20A-圖20J示出了在本發(fā)明的某些實(shí)施例中粘度對(duì)微滴產(chǎn)生的影響；
[0044] 圖21A-圖21D示出了在本發(fā)明的另一實(shí)施例中微滴的產(chǎn)生；
[0045] 圖22A-圖22D示出了在本發(fā)明的某些實(shí)施例中流率的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 本發(fā)明總體涉及流體微滴的產(chǎn)生。本發(fā)明的某些方面總體涉及用于通過使流體從 第一通道通過多個(gè)側(cè)通道流動(dòng)到第二通道而產(chǎn)生微滴的系統(tǒng)和方法。離開側(cè)通道進(jìn)入第二 通道的流體可以形成多個(gè)微滴，并且在一些實(shí)施例中，可以以極高的微滴產(chǎn)生速率形成多 個(gè)微滴。此外，在一些方面，也可以形成雙重或更多重的多重乳劑。在一些實(shí)施例中，這可 以通過直接、同步的產(chǎn)生方法和/或通過形成單一乳劑而形成多重乳劑來實(shí)現(xiàn)，所述單一 乳劑被收集并再注入到第二微流裝置中以形成雙重乳劑。
[0047] 現(xiàn)在，參照?qǐng)D1A，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)示例進(jìn)行描述。正如會(huì)在下文更詳細(xì) 地討論的，在其它實(shí)施例中，也可以使用其它構(gòu)造。圖1中，設(shè)備5包括第一通道10、第二 通道20、和多個(gè)側(cè)通道25,所述多個(gè)側(cè)通道每個(gè)都使第一通道與第二通道相連接。這些通 道中的一些或全部可以是微流通道。第一流體12可以通過第二通道10進(jìn)入，而第二流體 22通過第二通道20進(jìn)入。第一流體能夠流經(jīng)側(cè)通道進(jìn)入第二通道20。如果第一流體和第 二流體是至少基本不混溶的，那么離開側(cè)通道的第一流體可以在第二通道內(nèi)形成單獨(dú)的微 滴，如微滴30所示。此外，在某些實(shí)施例中，第一流體自身可以包含乳劑。
[0048] 在一些情況中，側(cè)通道每個(gè)都可以具有基本相同的尺寸，S卩，側(cè)通道可以具有基本 相同的容積、橫截面面積、長(zhǎng)度、形狀等。例如，第一通道10和第二通道20中的每個(gè)可以是 基本筆直的和平行的，和/或第一和第二通道可以不必是筆直的、但在第一和第二通道之 間可以具有較為恒定的分隔距離，使得側(cè)通道中的一些或全部在連接第一通道與第二通道 時(shí)具有基本相同的形狀或其它尺寸。
[0049] 如上所述，從第一通道流經(jīng)側(cè)通道并且進(jìn)入第二通道的流體可以形成包含在第二 流體內(nèi)的多個(gè)第一流體微滴。在一些情況中，例如，如果側(cè)通道具有基本相同的橫截面面積 和/或長(zhǎng)度和/或其它尺寸，微滴可以具有基本相同的大小或特征尺寸。以這種方式，根據(jù) 本發(fā)明的某些實(shí)施例，可以形成基本單分散的多個(gè)微滴。
[0050] 然而，盡管圖1A所示的側(cè)通道示出為筆直的并且?guī)в泻愣ǖ臋M截面面積，但是這 僅是作為示例，在其它實(shí)施例中，側(cè)通道不需要是筆直的，和/或側(cè)通道可以不必具有恒定 的橫截面面積。例如，側(cè)通道可以在通道內(nèi)的不同位置處具有不同的橫截面面積。此外，在 某些實(shí)施例中，例如，如圖8所示，可以存在與這些通道相連的其它通道。此外，盡管側(cè)通道 在圖1A中示出為規(guī)則地周期性間隔開，但這不是要求的，在其他情況中，側(cè)通道也可以以 其它方式間隔開。例如，在一組實(shí)施例中，相鄰?fù)ǖ乐g的間隔可以是基本相同的、和/或 側(cè)通道的橫截面尺寸或面積可以是基本相同的大小，以產(chǎn)生具有基本相同的大小或特征尺 寸（例如，如本文討論的）的微滴。
[0051] 在一組實(shí)施例中，側(cè)通道的最小橫截面面積基本小于第一或第二通道的橫截面面 積。例如，第一通道的橫截面面積可以是側(cè)通道的最小橫截面面積的至少10倍。在一些 情況中，第一通道的高度和側(cè)通道的高度可以是不同的，例如，以產(chǎn)生這種不同的橫截面面 積。在下文詳細(xì)討論了其它比例或構(gòu)造。在不希望受限于任何理論的情況下，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為由 于側(cè)通道的橫截面面積基本小于第一或第二通道的橫截面面積，因此流體流動(dòng)的阻力主要 由側(cè)通道的尺寸主導(dǎo)，而不是由第一或第二通道的尺寸主導(dǎo)。相應(yīng)地，如果側(cè)通道具有基本 相同的尺寸，那么側(cè)通道每個(gè)都應(yīng)當(dāng)對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生基本相同的阻力，相應(yīng)地，所產(chǎn)生的微 滴基本相同。因此，至少根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，通過控制各因素例如控制經(jīng)過側(cè)通道的 總壓降基本恒定，可以產(chǎn)生基本單分散的多個(gè)微滴。
[0052] 此外，應(yīng)注意的是，由于在一些實(shí)施例中，流體流動(dòng)阻力是微滴產(chǎn)生的主要因素， 其它因素（例如連續(xù)相的粘度）對(duì)微滴產(chǎn)生具有較小影響。例如，如圖21所示，連續(xù)相的 粘度基本不影響平均微滴大小，盡管微滴的多分散性可能增大。
[0053] 還應(yīng)理解的是，第一通道和第二通道可以具有任何合適的長(zhǎng)度。在一些實(shí)施例中， 可以使用較長(zhǎng)的通道，例如，使得在第一和第二通道之間可以存在較多數(shù)量的側(cè)通道，這可 以用于產(chǎn)生較多數(shù)量的微滴和/或以較大速率產(chǎn)生微滴。例如，在第一通道和第二通道之 間存在的側(cè)通道的數(shù)量可以為至少1〇〇、500、1000個(gè)等等。此外，在某些實(shí)施例中，第一和 /或第二通道的長(zhǎng)度可以為至少5mm、至少lcm、至少2cm、至少3cm等等。
[0054] 此外，盡管在圖1A中僅示出了兩個(gè)通道，這只是出于解釋目的。在本發(fā)明的其他 實(shí)施例中，其他通道和/或其他構(gòu)造也是可能的。例如，在圖1B中，除了第一通道10、第二 通道20和側(cè)通道25外，在第一通道的相對(duì)側(cè)存在第三通道30,所述第三通道由每個(gè)均連接 第一通道與第三通道的額外的側(cè)通道連接。這些額外的側(cè)通道可以與連接第一通道和第二 通道的側(cè)通道相同或不同，并且可以用于進(jìn)一步增加所生產(chǎn)的微滴的數(shù)量和/或速率。
[0055] 上述討論是能夠用于生產(chǎn)微滴的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的非限制性示例。然而，其 他實(shí)施例也是可能的。相應(yīng)地，更普遍地，如下文討論的，本發(fā)明的各個(gè)方面涉及用于微滴 的各種系統(tǒng)和方法。
[0056] 本發(fā)明的一個(gè)方面總體上涉及用于生產(chǎn)微滴的系統(tǒng)或設(shè)備。在一些情況中，微滴 可以是相對(duì)單分散的。在一組實(shí)施例中，通過使第一流體從第一通道通過多個(gè)側(cè)通道流動(dòng) 到包含在第二通道中的第二流體而生產(chǎn)微滴。在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，第一通道、第二通 道和側(cè)通道可以是微流通道，不過在一些情況中，第一通道、第二通道和側(cè)通道不必都是微 流通道。下文更詳細(xì)地呈現(xiàn)出微流通道的各種性質(zhì)的示例和細(xì)節(jié)，例如，大小、尺寸、可選的 涂層等等。此外，如下文討論的，在一些情況中，第一流體和第二流體可以是基本不混溶的。
[0057] 用于包含第一流體的第一通道可以具有任何合適的長(zhǎng)度。在一組實(shí)施例中，第一 通道是基本筆直的，例如，如圖所示。然而，在其他實(shí)施例中，第一通道可以包含一個(gè)或多個(gè) 曲線部、彎曲部等等。在一些情況中，第一通道可以具有蛇形或螺旋形構(gòu)造。此外，在一些 實(shí)施例中，第一通道可以包括一個(gè)或多個(gè)分支部，所述分支部中的一些或全部可以包含連 接第一通道與第二通道（或在一些實(shí)施例中，連接第一通道與多于一個(gè)的第二通道）的側(cè) 通道。如本文討論的，第一通道還可以連接至流體源（例如，第一流體源）。
[0058] 第一通道可以具有任何合適的長(zhǎng)度。在一些情況中，通道的長(zhǎng)度可以測(cè)量成包括 第一通道的包含連接第一通道與一個(gè)或多個(gè)第二通道的側(cè)通道）的區(qū)域，包括第一通道的 分支部。因此，例如，如果第一通道具有"Y"型或"T"型構(gòu)造，那么第一通道的總長(zhǎng)度可以 包括兩個(gè)分支部（如果兩個(gè)分支部每個(gè)都包含側(cè)通道）。在一組實(shí)施例中，第一通道（包含 側(cè)通道）的總長(zhǎng)度可以為至少約1_、至少約2_、至少約3_、至少約5_、至少約7_、至少 約lcm、至少約1. 5cm、至少約2cm、至少約2. 5cm、至少約3cm、至少約5cm、至少約7cm、至少 約10cm等等。然而，在一些情況中，第一通道（包含側(cè)通道）的總長(zhǎng)度可以為至多約10cm、 至多約7cm、至多約5cm、至多約3cm、至多約2. 5cm、至多約2cm、至多約1. 5cm、至多約lcm、 至多約7mm、至多約5mm、至多約3mm、或至多約2mm。在一些情況中，任何這些總長(zhǎng)度的組合 也是可能的。
[0059] 第一通道的橫截面面積可以是基本恒定的，或者在一些實(shí)施例中可以例如根據(jù)沿 第一通道內(nèi)的流體流動(dòng)方向的位置而變化。根據(jù)一組實(shí)施例，第一通道的平均橫截面面積 可以是至少約1000平方微米、至少約2000平方微米、至少約3000平方微米、至少約5000 平方微米、至少約10000平方微米、至少約20000平方微米、至少約30000平方微米、至少 約50000平方微米、至少約100000平方微米、至少約200000平方微米、至少約300000平方 微米、至少約500000平方微米、至少約1000000平方微米等等。然而，在一些情況中，第二 通道的平均橫截面面積可以是至多約1000000平方微米、至多約500000平方微米、至多約 300000平方微米、至多約200000平方微米、至多約100000平方微米、至多約50000平方微 米、至多約30000平方微米、至多約2