高通量芯片流體分布層結(jié)構(gòu)

植物乳桿菌是一種桿狀的兼性厭氧乳桿菌，能夠?qū)Σ≡纳L進(jìn)行抑制，從而調(diào)節(jié)消化道菌群平衡。益生菌微膠囊技術(shù)可以保護(hù)益生菌活細(xì)胞免受不利環(huán)境因素的影響并將其傳遞到腸道。液滴微流控技術(shù)因?yàn)榭梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)微膠囊粒徑、形態(tài)結(jié)構(gòu)和組分來提高生物活性物質(zhì)的包埋率和控釋，為微囊化研究提供了一個新平臺。然而，單個微流控器件的生產(chǎn)率較低，亟需開發(fā)能夠并行操作多個微流控液滴生成器（microfluidic droplet generator，MFDG）的陣列芯片，使高通量制備微膠囊成為可能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，基于此，來自上海理工大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)并加工了集成多個MFDG的微流控芯片，研究了梯度分布和樹狀分布兩種流體分布層結(jié)構(gòu)，以及平行陣列和圓形陣列兩種液滴生成器模式對液滴生成的影響，實(shí)現(xiàn)了對植物乳桿菌微膠囊的高通量制備。相關(guān)研究發(fā)表于《食品與發(fā)酵工業(yè)》期刊。

高通量芯片流體分布層結(jié)構(gòu)

高通量芯片流體層分為梯度分布和樹狀分布兩種結(jié)構(gòu)。如圖1a所示，梯度分布由連續(xù)相通道、分散相通道、一個公共出口通道以及在水平方向上排布的多個MFDG組成。圖1b所示樹狀分布結(jié)構(gòu)芯片主要由連續(xù)相樹狀分布層、分散相樹狀分布層與每個樹狀分支末端匹配的MFDG組成。圖2為兩種分布芯片實(shí)物圖。

圖1 梯度分布芯片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微流控芯片實(shí)物圖

高通量芯片液滴生成器結(jié)構(gòu)

高通量芯片液滴生成器分為平行陣列和圓形陣列兩種結(jié)構(gòu)，圖3為平行陣列和圓形陣列芯片實(shí)物圖。平行陣列是指液滴生成器集成層中各MFDG的排列方式為平行模式，多個MFDG（8、16、32）在水平方向上依次排開。圓形陣列是指液滴生成器集成層中各MFDG的排列方式為圓形模式，多個MFDG（8、16、32）以圓心為中心陣列排開。

圖3 兩種陣列芯片實(shí)物圖

梯度分布和樹狀分布制備微液滴

在連續(xù)相流速為500μL/min，分散相流速為50μL/min的固定流速下，液滴在8個并行通道中產(chǎn)生，每個單一通道的液滴呈單分散性，但8個通道液滴大小及生成頻率略有不同，這可能是共用一條公共入口通道和各平行液滴發(fā)生器之間的“串?dāng)_”引起的。雖然兩種流體分布的芯片均存在這種現(xiàn)象，但由于梯度分布結(jié)構(gòu)的不對稱性，流體到達(dá)各MFDG時的流阻不一致，流體分布不均，從而導(dǎo)致各通道產(chǎn)液滴的頻率差異較大。其中，樹狀分布的芯片從入口到各MFDG的通道長度相同，能實(shí)現(xiàn)流體的對稱均勻分布，各通道產(chǎn)生液滴的頻率差異較小。同時，樹狀對稱結(jié)構(gòu)分布的微通道更傾向于單分散液滴的形成，滿足植物乳桿菌微膠囊單分散性的要求。在兩相流速比恒定為15，同時改變兩相流速的條件下，分別用兩種種分布結(jié)構(gòu)陣列芯片制備微液滴，結(jié)果如表1所示。

表1 兩種微流控器件制備的微膠囊的平均尺寸及其分布

平行陣列和圓形陣列制備微液滴

在樹狀分布的基礎(chǔ)上，制作集成8、16、32個MFDG的平行陣列和圓形陣列芯片，在相同面積條件下，圓形陣列對板材的利用率是平行陣列的200%，可見圓形陣列在空間結(jié)構(gòu)上更高效。接著，分別用平行陣列芯片和圓形陣列芯片制備微液滴，由于流動分布性能的不同，在平行陣列和圓形陣列中產(chǎn)生的液滴的平均尺寸有所不同，圖4為MFDG個數(shù)對平行陣列和圓形陣列芯片液滴的平均粒徑（a）及其變異系數(shù)（b）的影響。從圖4中可以看出，隨著MFDG個數(shù)的增加，流體分布的誤差增大，導(dǎo)致兩種陣列制備的液滴的平均直徑和變異系數(shù)均呈上升趨勢。相比之下，圓形陣列制備的液滴直徑大小和變異系數(shù)更小，呈現(xiàn)單分散性。由此可見，流體分布不平衡是液滴多分散性的主要影響因素，圓形陣列相對平行陣列來說更能促進(jìn)均勻的流體輸送，適用于單分散液滴的高通量制備。

圖4 MFDG個數(shù)對平行陣列和圓形陣列芯片液滴生成的影響

不同流速比對高通量制備微膠囊的影響

將16個MFDG集成在基于樹狀分布的圓形陣列芯片中，在不同流速比下制備植物乳桿菌微膠囊，其粒徑大小、粒徑分布、生成頻率及包埋率結(jié)果如表2所示。隨著流速比的增加，植物乳桿菌微膠囊粒徑呈減小趨勢，而生成頻率呈增加趨勢，而液滴的穩(wěn)定性逐漸下降。由于流速比為10和12時，生成液滴的頻率較慢，流速比為20時，生成液滴的穩(wěn)定性不佳，液滴生成后期出現(xiàn)流體掛壁、拖尾、噴射等現(xiàn)象，液滴生成失控。綜合考慮，選取流速比為15為最佳流速比。圖5為高通量陣列芯片制備所得微膠囊，可以看出微膠囊的粒徑分布均勻，形狀較為規(guī)則。

表2 不同流速比制備植物乳桿菌微膠囊的結(jié)果

圖5 高通量微流控陣列芯片制備的微膠囊

綜上所述，研究人員設(shè)計(jì)了集成多個微流控液滴生成器的陣列芯片，以液滴直徑大小、變異系數(shù)及液滴生成頻率為評價(jià)指標(biāo)，比較了兩種流體分布層結(jié)構(gòu)以及兩種液滴生成器模式對液滴生成的影響。結(jié)果表明，樹狀分布的微通道間壓力較平衡，更能實(shí)現(xiàn)流體的均勻輸送；圓形陣列更有利于單分散液滴的形成。選擇樹狀分布的圓形陣列芯片應(yīng)用于植物乳桿菌的包埋，當(dāng)流速比為15時，液滴生成頻率為20.3Hz，包埋率為96.4%，實(shí)現(xiàn)了植物乳桿菌的高效率封裝和受控釋放。該研究為高通量制備益生菌微膠囊提供了新思路。

論文鏈接：

http://dx.doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.032205

審核編輯 ：李倩