高通量芯片流體分布層結構

植物乳桿菌是一種桿狀的兼性厭氧乳桿菌，能夠對病原菌的生長進行抑制，從而調節(jié)消化道菌群平衡。益生菌微膠囊技術可以保護益生菌活細胞免受不利環(huán)境因素的影響并將其傳遞到腸道。液滴微流控技術因為可以通過調節(jié)微膠囊粒徑、形態(tài)結構和組分來提高生物活性物質的包埋率和控釋，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)麥姆斯咨詢報道，基于此，來自上海理工大學的研究人員設計并加工了集成多個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構，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，實現(xiàn)了對植物乳桿菌微膠囊的高通量制備。相關研究發(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構

高通量芯片流體層分為梯度分布和樹狀分布兩種結構。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所示樹狀分布結構芯片主要由連續(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為兩種分布芯片實物圖。

圖1 梯度分布芯片結構示意圖

圖2 微流控芯片實物圖

高通量芯片液滴生成器結構

高通量芯片液滴生成器分為平行陣列和圓形陣列兩種結構，圖3為平行陣列和圓形陣列芯片實物圖。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“串擾”引起的。雖然兩種流體分布的芯片均存在這種現(xiàn)象，但由于梯度分布結構的不對稱性，流體到達各MFDG時的流阻不一致，流體分布不均，從而導致各通道產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，能實現(xiàn)流體的對稱均勻分布，各通道產生液滴的頻率差異較小。同時，樹狀對稱結構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構陣列芯片制備微液滴，結果如表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構上更高效。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，研究人員設計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指標，比較了兩種流體分布層結構以及兩種液滴生成器模式對液滴生成的影響。結果表明，樹狀分布的微通道間壓力較平衡，更能實現(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用于植物乳桿菌的包埋，當流速比為15時，液滴生成頻率為20.3Hz，包埋率為96.4%，實現(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