微流控芯片及基于微流控技术的高通量纳米颗粒合成系统

摘要

本实用新型提供了一种微流控芯片及基于微流控技术的高通量纳米颗粒合成系统，包括压力控制器及与所述压力控制器输出端连接的压力分配组件、所述压力分配组件的压力输出端与微流控芯片连接，所述微流控芯片上设置有用于纳米颗粒合成的流道，所述流道的入口端及合成端均设置有储液池。本实用新型的有益效果体现在：可以精准的实现纳米颗粒大小、分布和一致性的控制，试剂原料直接经过流道合成，避免了多余的连接造成的死体积带来的试剂浪费，通过增加微流控芯片或者同一芯片上的并行流道的数量可以很好的完成高通量的需求。

说明书

技术领域

本实用新型属于微流控纳米合成技术领域，具体涉及一微流控芯片及基于微流控技术的高通量纳米颗粒合成系统。

背景技术

纳米颗粒合成技术，是高速发展的纳米技术领域的技术前沿，其独特的尺寸依赖特性，使这些材料在许多领域表现出了极大的优势，处于不可替代的位置。此项技术已广泛应用于诸多行业，如药物输送、能源和电子等。纳米颗粒合成技术是实现纳米颗粒应用的关键步骤之一。

由于在多数应用中，都需要应用到纳米颗粒的尺寸特性，因此纳米颗粒合成各批次间的尺寸分布、产量以及尺寸的可重复性，是纳米颗粒合成评估中非常重要的参数。传统的纳米颗粒合成的方法之一是基于批处理混合的原理来进行的。具体来讲，将制备纳米颗粒的原材料溶于有机相或水相中，再将其加入到与之相容性不好的另一相水相或有机相中，并通过搅拌的方式迅速混合在烧杯或其他设备中。但采用传统的批处理合成方法（在本体溶液中混合）进行纳米颗粒大规模生产时，其颗粒合成质量较差，同时还存在一些不可控因素，如聚集和异构混合，导致纳米粒子的尺寸均一性和可重复性比较差。

基于微流控技术的微型反应器，可实现试剂快速混合、温度控制以及反应中的精确时空操控。采用微流控技术进行纳米颗粒合成，混合受控且均匀，可产生尺寸大小均一的纳米颗粒，同时，纳米颗粒的物理化学性质的可重复性也能得到精确控制。此外，通过调控纳米颗粒合成微环境，可进一步提高纳米颗粒的尺寸均一性和可重复性，进而提高纳米颗粒的制备工艺产率。

目前市场上已有的基于微流控技术实现纳米颗粒合成的仪器主要来自于加拿大Precision Nanosystems以及Precigenome。Precision Nanosystems的仪器主要通过注射泵来推动有机相和水相两相溶液进入微流控芯片进行混合，在微流控芯片的出口端收集合成好的纳米颗粒。这款仪器实现了非常高的纳米颗粒的尺寸可控性、均一性及高度重复性。但由于其用注射泵作为推动流体的动力，所以存在一些自身不可克服的缺点，例如，注射泵调节流量时体积大，响应速度慢，调节精度低，流量有脉动性，样品使用效率低，易污染等问题。流量的脉动性、调节精度低会影响纳米颗粒合成时混合的均匀程度，从而降低纳米颗粒的均一性。注射泵需要先将试剂加载到注射器中，操作比较复杂，也容易造成污染。此外，注射器的容量有限，该仪器在扩大生产的过程中需要做很大的工程设计及改进，不便于直接用于高通量的生产中。此外，采用注射泵在实现高通量（多个样品同时运行）也有不可克服的难点：在同时运行多个样品时，每个样品都需要配置单独注射泵，不可避免的导致系统复杂，非常不利于系统往高通量方向拓展。目前这些设备为了实现从小体积（小于1ml）到大体积的产量提高（大于1ml），都需要采用不同设计的微流控芯片，不同设计的芯片往往还需要调整不同的生产纳米颗粒的条件来生产出类似的纳米颗粒。这样不仅增加了设计生产成本，同时也增加了为提高量产且又能保持同样性能的技术难度。

Precigenome的仪器（专利申请号2021110609590）是一款基于压力控制以及微流控混合技术可以实现全自动化的纳米颗粒合成的集成设备。该仪器部分弥补了PrecisionNanosystems的仪器中采用注射泵带来的诸多缺点，可以实现高度自动化及连续生产纳米颗粒的过程，以提高纳米颗粒的产量。但是该设备中由于采用了较多的阀、流量计等多种流体控制元件，这些流体控制元件以及将其相连的管路会带来很大的死体积，无法满足应用于纳米颗粒合成的配方研发优化所需的高通量小体积的需求。因此开发一种可以实现高通量小体积的纳米颗粒合成系统具有很高的市场应用前景。

实用新型内容

为了解决现有技术的不足，可以很好的实现高通量小体积的纳米颗粒合成，本实用新型提供了一种微流控芯片及基于微流控技术的高通量纳米颗粒合成系统。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

基于微流控技术的微流控芯片，包括芯片本体，所述芯片本体上设置有至少一条用于纳米颗粒合成的流道，所述流道的入口端及合成端均设置有储液池，所述储液池的中心轴与所述流道垂直。

优选地，所述储液池与所述芯片本体一体化成型或可拆卸连接。

优选地，所述储液池与所述微流控芯片之间通过相互配合的鲁尔接头形成可拆卸连接。

优选地，一种基于微流控技术的高通量小体积纳米颗粒合成系统，包括压力控制器，及与所述压力控制器输出端连接的压力分配组件、所述压力分配组件的压力输出端与以上任意一种微流控芯片连接，所述微流控芯片设置有至少一个。

优选地，所述压力分配组件与所述微流控芯片之间设置有密封组件，以形成压力分配组件与微流控芯片之间的气密性连接。

优选地，所述压力分配组件包括一压力分配板，所述密封组件为密封垫，所述密封垫上设置有开口且至少覆盖置于所述储液池的顶端开口处确保压力分配组件与微流控芯片之间的气密性连接。

优选地，所述密封垫选择性的与所述压力分配板连接或与储液池端口连接。

优选地，所述储液池的体积为20μl-1ml。

优选地，所述压力控制器为多通道压力控制器，所述通道数量大于等于2。

优选地，所述压力控制器与所述压力分配组件之间设置有控制阀。

本实用新型的有益效果体现在：可以精准的实现纳米颗粒大小、分布和一致性的控制，试剂原料直接经过流道合成，避免了多余的连接造成的死体积带来的试剂浪费，通过增加微流控芯片的数量或者同一芯片上并行流道的数量可以很好的完成高通量的需求。

附图说明

图1：本实用新型的合成系统原理结构示意图。

图2：本实用新型的其中一种示例结构示意图。

图3：图2中气压分配板打开时的结构示意图。

图4：本系统合成的脂质纳米颗粒大小及分布的测量柱状图。

图5：采用低通量流速控制装置合成的不同批次纳米脂质体粒径及分布图。

图6：在不同装置中合成包裹有DNA的纳米脂质体的粒径及大小分布比较图。

图7：在不同装置中合成纳米脂质体对DNA的包裹率比较。

图8：用合成的包裹 GFP DNA 纳米脂质体处理 48 小时后的 HepG2（上）和 K562（下）荧光和明场图像。

具体实施方式

本实用新型揭示了一种基于微流控技术的微流控芯片，以及应用该芯片进行高通量小体积纳米颗粒合成的合成系统。结合图1所示，所述微流控芯片3包括芯片本体，及所述芯片本体上设置的用于纳米颗粒合成的流道31，所述流道31的入口端32及合成端33均设置有储液池34。所述储液池34中心轴与所述流道呈垂直设置。所述储液池34与所述微流控芯片3之间为一体注塑成型或可拆卸连接。可拆卸连接是指所述储液池34与所述微流控芯片3之间通过相互配合的鲁尔接头进行连接。当然，也可以采用其他相互配合的连接件。本实用新型中流道31与储液池34直接连接，可以很好的避免现有技术中多流量阀或管道的连接，不会因为死体积而带来试剂的浪费。

本实用新型还揭示了一种应用所述微流控芯片下，基于微流控技术的高通量纳米颗粒合成系统，包括压力控制器4，及与所述压力控制器4输出端连接的压力分配组件、所述压力分配组件的压力输出端与所述的微流控芯片3连接。

所述压力分配组件包括一压力分配板1，所述压力分配板1上设置有压力输入端及压力输出端，所述压力输入端与所述压力控制器4之间设置有控制阀11，本实施例中，所述的控制阀11为三通阀。压力控制阀11也可以安装在压力控制器中。当压力控制器4在调节压力时，通过控制阀11将压力控制器与压力分配组件之间断开，当压力达到稳定后，通过控制阀11联通相应的气路。

所述压力分配板1作用是更有效的将压力控制器4的压力与微流控芯片上形成气路上的连接，其具有压力输入端和压力输出端，以及将压力输入端及压力输出端联通的通路。所述压力分配板1的压力输出端与微流控芯片3上的储液池34连接，进一步的，是与微流控芯片3的入口端32上的储液池34连接。通常，完整的一条流道31由两个入口端及一个合成端33。两个入口端的储液池分别为试剂储液池，合成端的为纳米颗粒收集储液池。所述微流控芯片3上可以设置有多条各自独立的流道31，以合成多个纳米颗粒，从而实现高通量。

所述压力控制器4为多通道压力控制器，所述通道数量大于等于2，所述通道是指具有的输出控制压力通道。所述压力控制器的输出压力范围在0-30psi或更高，压力值的准确度及精度小于0.05psi。针对一套压力控制器4，所述微流控芯片3也可以并列设置有多个，一般来说，所述压力控制器4上的压力输出端数量与所述微流控芯片3上的入口试剂储液池数量相当。储液池的容量决定了纳米合成的产量，本实施例中，所述储液池的体积为20μl-1ml。

为了在压力分配板1与微流控芯片3之间形成气密性连接，所述压力分配板1与所述微流控芯片3之间设置有密封组件2。所述密封组件2为密封垫，所述密封垫上设置有开口且至少覆盖置于所述储液池的顶端开口处确保压力分配板1与微流控芯片3上的储液池34之间的气密性连接。所述密封垫可以为橡胶或硅胶材质，所述密封垫选择性的与所述压力分配板1连接或与储液池34端口连接。与所述压力分配板连接时，其紧密连接于所述压力分配板1的底部，相应的，所述密封垫上开设有通气孔，所述通气孔与储液池和压力分配板的压力输出端之间形成联通，而不阻碍气压的通过。当然，所述密封垫也可以采用直接套置于所述储液池34的顶部开口端，两者均达到气压分配板1与储液池34之间的气密性连接即可。

为更好的理解本实用新型，结合图2-图3所示，图2-图3中展示了其中一种示例结构。使用时，将不同的试剂载入相应的储液池34中，然后将压力分配板1下压关上，密封垫与储液池34上沿紧密贴合形成气密接触，通过机构上的锁扣将压力分配板1固定在气密紧贴储液池34的状态。用户设置所需的压力及生产的纳米颗粒溶液的体积后，启动压力控制器运行。当纳米颗粒合成达到所需的体积后程序自动结束，压力控制器通过三通阀自动将压力快速释放到和大气压平衡，掰动锁紧的锁扣，将气动压板释放。用户将生成的纳米颗粒溶液取出，并将芯片和储液池做适当的回收处理。

由于压力分配组件中的流体阻力远低于微流控芯片的流道阻力（100倍以上），因此压力控制器4的压力输出传递到储液池34中的液体几乎是瞬时的（<1s）,微流控流道中的流体流速和压力输出完全是一一对应关系，同时，微流孔流道中的流体是层流，因此可以通过简单的流体计算进行预测计算流速。所以本实用新型可以通过对压力的精确控制从而实现对微流控芯片中流道内流体的流速控制，从而实现合成的纳米颗粒大小的精确控制。进一步的，本实用新型中所述微流控芯片也可以在专利申请号2021110609590中使用。这样的好处是用户在本系统中优化的纳米合成配方直接可以用在前述发明申请的低通量但高产量的连续生产的装置中。

为更好的验证本实用新型的有效性，以下进行纳米颗粒合成测试：

将12.5mM脂质（混合物）溶于乙醇中作为一种试剂加载入一个储液池34中，将核酸溶于水相缓冲液中作为另一种试剂载入另一储液池34中。通过调节压力控制器4的压力输出可以使水油相溶液的流速达到4:1,以及总流速为3mL/min。调节好后，压力输出可以作为固定变量存储在控制器中，以便以后使用。为避免储液池中的试剂被打空，通常需在储液池中多加一定量的试剂。举例来说，若合成200µL的包裹了mRNA脂质纳米颗粒，需要在一个储液池中加190µL的含mRNA的水相缓冲液，在另外一个储液池中加70µL的脂质乙醇溶液。合成完毕后，160µL的水相溶液以及40µL的脂质乙醇溶液会被消耗掉，每个储液池中会各有30µL的溶液剩下，最后收集到200µL的纳米脂质体颗粒。

结合图4所示，图中显示了四次独立实验（所有的条件均相同）的结果，可以看出四次实验合成的纳米颗粒从大小以及分布来讲都非常接近。说明本系统虽然用压力控制，但每次通过精确的压力控制输出是可以控制芯片流道内的流速，从而精确的控制纳米颗粒的大小、分布和一致性。

我们还比较用本系统和早先开发的纳米颗粒合成装置（低通量流速控制，专利申请号2021110609590）合成的纳米颗粒。值得指出的是，在比较中由于装置对微流控芯片的兼容性，我们可以采用同样的芯片进行实验比较。早先开发的装置是采用的流速控制，用于采用了流量计及控制流体的一些器件，死体积比较大，最小合成量是1mL。图5为用早先流速控制的装置在相同条件下（总流速为3mL/min, 水油流速比为4:1）四次合成的纳米颗粒大小及颗粒分布PDI的测量结果。可以看出用流速控制装置合成的纳米颗粒的大小及颗粒大小分布和本发明装置（压力控制）得到的纳米颗粒非常接近。本系统合成的纳米颗粒的平均颗粒直径略大（5%），这个区别很有可能是在压力控制下实际的流速及流速比与预设的略有差别，但是这样的差别是在可以接受的范围内。

通过本系统进行在合成纳米脂质体的同时包裹DNA的实验研究，我们测量了包裹DNA后的纳米脂质体的大小、DNA的包裹率，并和用低通量流速控制的装置合成的包裹有DNA的纳米脂质颗粒进行比较。图6的结果显示在两种装置下合成的包裹了DNA的纳米脂质体的大小及粒径分布PDI都比较接近，平均粒径在80nm左右，PDI在0.2左右。进一步的对包裹率进行研究表明，在两种装置上合成的纳米脂质体对DNA的包裹率都达到了90%左右，如图7所示。

通过本系统合成的包裹了绿色荧光蛋白（GFP）DNA的纳米脂质体进行体外细胞转染研究，分别在 HepG2（人类肝癌细胞系） 和 K562 （人类永生化骨髓性白血病细胞系）中进行。 转染前 24 小时，将 HepG2 和 K562 细胞以 2–4 x 10

转染 48 小时后，HepG2 细胞用 Hoechst 33342 (1µg/ml) 处理细胞核染色， 并通过BioRad Zoe荧光细胞影像仪记录了绿色（细胞质内表达的绿色荧光蛋白GFP）和蓝色（细胞核）荧光图像。 选定的绿场/蓝场叠加图像和明场图像如图 8（上）所示。 K562 细胞的绿色荧光场和明场图像如图 8（下）所示。实验结果表面，用本系统合成的包裹了DNA的纳米脂质体可以在体外成功地将DNA转染到细胞中并表达。

综上，本系统可以实现小体积（<0.2mL）及高通量（同时可以做两个或两个以上的样品）的纳米颗粒的合成，从而给用户节省了大量的原材料以及减少了实验的次数，适用于对纳米合成配方的甄选及优化的研究。同时本系统中微流控芯片可以兼容之前发明的低通量高产量基于流速控制的装置上使用，用户可以直接将在本装置上优化好的配方使用到流速控制的装置上并得到类似的纳米颗粒。

最后应说明的是：术语 “上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

且以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。