各向异性微球的微流控制备及其在生物分析中的应用

摘要

多元分析技术在生物医学领域具有重要的应用价值。基于流动载体的多元生物分析技术具有明显的优越性，其关键环节是开发合适的编码载体。传统的高分子微球其表面化学组成是均匀（各向同性）的，随着研究的深入，理论和实验结果表明各向异性微球在控制分子识别和自组装过程中拥有普通微球所没有的特殊性质。此外，如果可以制备出具有多种化学组成和功能分区的微球，则可以赋予编码载体更加丰富的功能，从而大大拓展其灵活性和应用价值。微流控技术是指在微观尺度下将不同的流体按照特定的方式整合于一个体系内，并对其行为进行系统地控制和操作的技术。经过近几十年来的发展，微流控技术为许多科技领域提供了新的方法，包括化学合成、生化分析、即时诊断、药物开发以及环境监测等等。尤其是在材料制备方面，微流控技术可以对所制备的材料结构进行精确的控制。因此，本论文以微流控为技术手段，设计并制备各向异性功能性生物载体，开发其在生物分析中的应用，具体研究内容如下:
　　(1)基于单乳液体系，设计构建了两组分Janus乳液生成装置，由此通过溶剂蒸发诱导单分散的二氧化硅纳米粒子自组装成胶体晶体密堆积结构，同时使磁性纳米粒子在磁场的作用下进行沉积，从而制备具有各向异性Janus结构的磁响应性可控运动的胶体晶体微球，并将其应用于生物分析。
　　(2)基于双乳液体系，设计并构建了基于七孔毛细管阵列的一步法生成双乳液的玻璃毛细管微流控芯片。毛细管阵列中最内部的一个毛细管和环绕在外部的六根毛细管形成精确的中心对称结构，从而避免了传统的芯片构建过程中的人工对中操作，使得制备工艺得到简化。利用此芯片，可以实现单核及多核双乳液的可控制备。
　　(3)基于双乳液体系，制备了具有胶体晶体微气泡结构的可悬浮编码载体，并用于生物分析。首先利用微流控技术制备壳层为选择透过性膜，内核为水溶液的微胶囊，通过高渗溶液诱导，使微胶囊发生空化现象，并在胶囊内部产生气泡。此方法操作简单，过程可控。以此为基础，制备内核为胶体纳米粒子分散液的微胶囊;通过诱导胶囊内部发生空化现象，引导纳米粒子在固液气三相界面组装成密堆积的球形胶体晶体层。最终得到的双壳层微气泡结构解决了传统载体在检测液中迅速沉降的缺点，并具有稳定性高、编码量可扩增，以及多功能等优点，在免疫分析、细胞培养及生物材料相容性评价方面具有重要应用价值。
　　(4)基于单乳液双乳液复合体系，同时制备液滴和纤维，并使单分散的液滴被纤维串起而形成微载体阵列结构，通过实验参数的控制使得载体在纤维上可以具有固定和自由滑动两种模式。这种微载体阵列在细胞培养方面具有很高的灵活性。另一方面，液滴在剪切力和界面张力的共同作用下沿着纤维生成的方向发生形变，由球形变成纺锤状。因此，所制备的微载体阵列还具有仿天然蜘蛛丝的结构，并具有水分收集、温度响应、非球形胶体晶体组装等多重功能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 基于玻璃雕材料的微流控系统

1．1．2 基于有机橡胶及塑料材料的微流控系统

1．1．3 基于水凝胶材料的微流控系统

1．1．4 基于纸芯片的微流控系统

1．1．5 基于毛细管组装的微流控系统

1．2 基于编码载体的生物分析技术

1．2．1 化学合成法制备各向异性编码载体

1．2．2 模板法制备各向异性编码载体

1．2．3 光刻法制备各向异性编码载体

1．2．4 微流控法制备各向异性编码载体

1．2．5 其他方法制备各向异性微载体

1．3 本论文的主要研究工作

参考文献

第二章 单乳液微流控制备各向异性磁性胶体晶体微球

2．1 序言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 二氧化硅-四氧化三铁分散液的配制

2．2．3 单乳液毛细管微流控装置的构建

2．2．4 Janus磁性胶体晶体微球的制备

2．2．5 Janus磁性胶体晶体微球的生物分析应用

2．3 结果与讨论

2．3．1 液滴模板的制备

2．3．2 磁性Janus腔体晶体微球的制备与表征

2．3．3 磁性Janus肢体晶体微球的生物分析

2．4 本章小结

参考文献

第三章 基于毛细管阵列的双乳液微流控芯片的构建

3．1 序言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 体系的选择

3．2．3 微流控芯片的构建

3．2．4 双乳液及微胶囊的制备

3．2．5 微胶囊的表征

3．3 结果与讨论

3．3．2 单组分双乳液的制备

3．3．3 微胶囊的制备与尺寸调控

3．3．4 多核微胶囊的制备与表征

3．3．5 多组分双乳液的制备

3．3．6 胶体晶体微胶囊的制备

3．4 本章小结

参考文献

第四章 双乳液体系中各向异性悬浮微载体的制备及生物分析研究

4．1 序言

4．2 空化过程诱导的微气泡的制备

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 实验部分

4．2．3 结果与讨论

4．3 胶体晶体微气泡的制备及生物分析

4．3．1 试剂与仪器

4．3．2 实验部分

4．3．3 结果与讨论

4．4 本章小结

参考文献

第五章 复合微流控体系中各向异性纺锤状微载体的生成及应用

5．1 序言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂与仪器

5．2．2 溶液的配制

5．2．3 毛细管微流控装置的构建

5．2．4 微流控复合体系构建

5．2．5 纺锤状细胞微载体阵列的制备与生物分析

5．2．6 纺锤状阵列的水分收集与温度响应

5．2．7 纺锤状胶体晶体阵列的制备

5．3 结果与讨论

5．3．1 微流控复合体系构建

5．3．2 纺锤体阵列的表征

5．3．3 纺锤状细胞微载体阵列的制备及生物分析应用

5．3．4 纺锤体阵列的水分收集与调控

5．3．5 纺锤状肢体晶体阵列的制备

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

本论文的创新之处

本论文的后续工作与展望

博士期间发表的论文及申请专利

获奖情况

致谢

附录