高通量芯片流体分布层结构

植物乳杆菌是一种杆状的兼性厌氧乳杆菌，能够对病原菌的生长进行抑制，从而调节消化道菌群平衡。益生菌微胶囊技术可以保护益生菌活细胞免受不利环境因素的影响并将其传递到肠道。液滴微流控技术因为可以通过调节微胶囊粒径、形态结构和组分来提高生物活性物质的包埋率和控释，为微囊化研究提供了一个新平台。然而，单个微流控器件的生产率较低，亟需开发能够并行操作多个微流控液滴生成器（microfluidic droplet generator，MFDG）的阵列芯片，使高通量制备微胶囊成为可能。

据麦姆斯咨询报道，基于此，来自上海理工大学的研究人员设计并加工了集成多个MFDG的微流控芯片，研究了梯度分布和树状分布两种流体分布层结构，以及平行阵列和圆形阵列两种液滴生成器模式对液滴生成的影响，实现了对植物乳杆菌微胶囊的高通量制备。相关研究发表于《食品与发酵工业》期刊。

高通量芯片流体分布层结构

高通量芯片流体层分为梯度分布和树状分布两种结构。如图1a所示，梯度分布由连续相通道、分散相通道、一个公共出口通道以及在水平方向上排布的多个MFDG组成。图1b所示树状分布结构芯片主要由连续相树状分布层、分散相树状分布层与每个树状分支末端匹配的MFDG组成。图2为两种分布芯片实物图。

图1 梯度分布芯片结构示意图

图2 微流控芯片实物图

高通量芯片液滴生成器结构

高通量芯片液滴生成器分为平行阵列和圆形阵列两种结构，图3为平行阵列和圆形阵列芯片实物图。平行阵列是指液滴生成器集成层中各MFDG的排列方式为平行模式，多个MFDG（8、16、32）在水平方向上依次排开。圆形阵列是指液滴生成器集成层中各MFDG的排列方式为圆形模式，多个MFDG（8、16、32）以圆心为中心阵列排开。

图3 两种阵列芯片实物图

梯度分布和树状分布制备微液滴

在连续相流速为500μL/min，分散相流速为50μL/min的固定流速下，液滴在8个并行通道中产生，每个单一通道的液滴呈单分散性，但8个通道液滴大小及生成频率略有不同，这可能是共用一条公共入口通道和各平行液滴发生器之间的“串扰”引起的。虽然两种流体分布的芯片均存在这种现象，但由于梯度分布结构的不对称性，流体到达各MFDG时的流阻不一致，流体分布不均，从而导致各通道产液滴的频率差异较大。其中，树状分布的芯片从入口到各MFDG的通道长度相同，能实现流体的对称均匀分布，各通道产生液滴的频率差异较小。同时，树状对称结构分布的微通道更倾向于单分散液滴的形成，满足植物乳杆菌微胶囊单分散性的要求。在两相流速比恒定为15，同时改变两相流速的条件下，分别用两种种分布结构阵列芯片制备微液滴，结果如表1所示。

表1 两种微流控器件制备的微胶囊的平均尺寸及其分布

平行阵列和圆形阵列制备微液滴

在树状分布的基础上，制作集成8、16、32个MFDG的平行阵列和圆形阵列芯片，在相同面积条件下，圆形阵列对板材的利用率是平行阵列的200%，可见圆形阵列在空间结构上更高效。接着，分别用平行阵列芯片和圆形阵列芯片制备微液滴，由于流动分布性能的不同，在平行阵列和圆形阵列中产生的液滴的平均尺寸有所不同，图4为MFDG个数对平行阵列和圆形阵列芯片液滴的平均粒径（a）及其变异系数（b）的影响。从图4中可以看出，随着MFDG个数的增加，流体分布的误差增大，导致两种阵列制备的液滴的平均直径和变异系数均呈上升趋势。相比之下，圆形阵列制备的液滴直径大小和变异系数更小，呈现单分散性。由此可见，流体分布不平衡是液滴多分散性的主要影响因素，圆形阵列相对平行阵列来说更能促进均匀的流体输送，适用于单分散液滴的高通量制备。 

图4 MFDG个数对平行阵列和圆形阵列芯片液滴生成的影响

不同流速比对高通量制备微胶囊的影响

将16个MFDG集成在基于树状分布的圆形阵列芯片中，在不同流速比下制备植物乳杆菌微胶囊，其粒径大小、粒径分布、生成频率及包埋率结果如表2所示。随着流速比的增加，植物乳杆菌微胶囊粒径呈减小趋势，而生成频率呈增加趋势，而液滴的稳定性逐渐下降。由于流速比为10和12时，生成液滴的频率较慢，流速比为20时，生成液滴的稳定性不佳，液滴生成后期出现流体挂壁、拖尾、喷射等现象，液滴生成失控。综合考虑，选取流速比为15为最佳流速比。图5为高通量阵列芯片制备所得微胶囊，可以看出微胶囊的粒径分布均匀，形状较为规则。

表2 不同流速比制备植物乳杆菌微胶囊的结果

 

图5 高通量微流控阵列芯片制备的微胶囊

综上所述，研究人员设计了集成多个微流控液滴生成器的阵列芯片，以液滴直径大小、变异系数及液滴生成频率为评价指标，比较了两种流体分布层结构以及两种液滴生成器模式对液滴生成的影响。结果表明，树状分布的微通道间压力较平衡，更能实现流体的均匀输送；圆形阵列更有利于单分散液滴的形成。选择树状分布的圆形阵列芯片应用于植物乳杆菌的包埋，当流速比为15时，液滴生成频率为20.3Hz，包埋率为96.4%，实现了植物乳杆菌的高效率封装和受控释放。该研究为高通量制备益生菌微胶囊提供了新思路。

论文链接：

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

审核编辑 ：李倩