第七卷 第七期 - 2009年二月二十日
利用可控制移動壁製作雙重包覆之新型乳化晶片平台
林彥亨、李君鴻、李國賓*


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研究所提出的單重擊雙重乳化晶片,是一種非常有潛力且具有高品質的乳化晶片,這對於微量生化反應、藥物傳輸系統及化妝品工業有著非常廣大的應用空間。微乳化液滴製備技術廣泛的被應用在各種實用領域,本研究製作出一種可微調單重及雙重包覆乳化液滴之微流體晶片,此種晶片整合了T型管道乳化技術、微流體聚焦技術與可控制式側壁結構。其中雙重包覆乳化液滴之外液滴與內液滴,均能利用此晶片控制其大小。三個氣動式PDMS腔體分別設計在T型管道及微流體聚焦區中,型成可控制式側壁,當可控制式側壁被外加壓縮空氣驅動後,微流體管道將被擠壓因而縮小,因此雙重包覆的內液滴的大小會因為流體的剪切力改變而變得可調。接著內液滴會被流體聚焦型成非常細小的流線而後被另一對下游的可控制式側壁切斷型成雙重包覆乳化液滴。就單重乳化液滴而言,水包油液滴的大小在驅動氣壓從10 psi到25 psi下,可從50.07微米調到21.80微米且其均勻度變異係數在3.53%之內;另一方面,油包水液滴的大小在一樣的驅動氣壓條件下,可從50.07微米調到21.80微米且其均勻度變異係數在4.62%之內。雙重包覆液滴,其外液滴與內液滴大小的比值,可從1.69調到2.75。預期本新型微流體乳化晶片的發展,對於藥物、化妝品及食品有著大有可為的應用。

在第一次乳化階段時,可控制式側壁結構氣室注入壓縮空氣改變控制側壁的變形量,控制變化微流體管道的寬度,並且影響T型管道所生成的液滴尺寸。而切斷器側壁則放置於第二乳化階段應用。穩定的可調式側壁結構設計用來改變管道的寬度,進而對T型管道所生成的液滴做尺寸的微調。第二乳化階段之切斷器側壁結構設計用來切斷第一乳化階段包含水液滴的連續油相,而在進入切斷器側壁前先利用流體流力聚焦,在利用切斷器側壁機構將聚焦後連續油相製成包覆著水液滴的油液滴。雙重包覆乳化晶片示意圖如圖一(a)所示。主要微流體管道由一T型管道與後端聚焦用流體管道兩個部分所組成,在T型管道的出口處為一可控制式側壁結構,而氣動式切斷器側壁結構設於後端聚焦後的管道兩側。一個為主動控制微管道寬度的結構,用來主動的控制第一乳化階段T型管道生成的液滴尺寸大小,一個為切斷第二乳化階段聚焦後的分散相形成多重包覆液滴。第一階段乳化是利用流體的剪力,兩管道交錯呈T字型,控制連續相與分散相的流速比使液滴因流體剪力自然形成,如圖一(b)所示。當可控制式側壁之氣室注入壓縮空氣後,側壁受力變形改變調整T型管道出口處管道寬度,影響所生成的液滴大小。在後端第二乳化階段的切斷器側壁結構在受充氣變形後可以切斷被聚焦後的第一乳化階段帶有液滴之連續相,如圖一(c)故第一階段的連續相在第二乳化階段時變為分散相,而在切斷器做動後產生包覆著第一乳化階段所生成之液滴的雙重包覆液滴。液滴的直徑可以透過控制的氣壓壓力來做影響。所生成之雙重包覆液滴將被集中在收集區。
圖一

如圖二(a),利用氣壓裝置對側壁的氣室腔體注入壓縮空氣使側壁產生變形,由於在分散相出口處的連續相流體因管道截面積縮小而流速增加,加強了對於分散相流體的剪切力,故可以產生出較原本未驅動側壁前的液滴尺寸更為小的液滴,在本研究中,針對此結構之功能證明,分別做了水裡產生油液滴(o/w)以及油裡產生水液滴(w/o)的實驗。如圖二(b)之示意圖所表示,完成一個水中之油液滴,油液滴包覆著水液滴(w/o/w)的雙重包覆情形。帶著水液滴的連續油相經由流體聚焦技術聚焦後會形成最外圍為連續水相,中間為連續油相,而連續油相內包含著在前端利用T行管道與可控制式側壁所生成的水液滴。利用上一個研究的切斷器側壁結構將連續油相切斷進而形成油液滴,而其中所產生的油液滴就會包覆著前端所生成的水液滴。
圖二

圖三是微流體乳化晶片的實體拍攝圖,他的長為4公分,寬約3公分。圖四為利用氣壓裝置對側壁的氣室腔體注入壓縮空氣使側壁產生變形,由於在分散相出口處的連續相流體因管道截面積縮小而流速增加,加強了對於分散相流體的剪切力,故可以產生出較原本未驅動側壁前的液滴尺寸更為小的液滴。證明此可控制式側壁可以用來控制微液滴的尺寸大小。在本研究中,針對此結構之功能證明,分別做了水裡產生油液滴(o/w)以及油裡產生水液滴(w/o)的實驗。
圖三

圖四

由圖五所示,在固定的流量比下(R1:R2:R3 = 0.5:30:1000 μl/hr)目前已有四種不同雙重包覆乳化作用的液滴大小被實驗做出,在第一階段生成水液滴部分不對可控制式側壁注入氣壓,第二階段給予切斷器側壁氣壓10psi,則可以生成直徑165μm的油液滴包覆著直徑80μm的水液滴。而目前利用此晶片所製作出最小的雙重包覆液滴為在給予前端可控制式側壁氣壓壓力20psi,與給予後端切斷器氣壓壓力30psi的條件下,所生成的雙重包覆液滴為直徑尺寸85μm的油液滴包覆著直徑60μm的水液滴。由此可證明研究中所提出的側壁結構,可以確實的應用在乳化與雙重乳化作用。
圖五
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