專利名稱：集成芯片及其裝置、以及制備微米級(jí)分散體的方法
集成芯片及其裝置、以及制備微米級(jí)分散體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用造影劑對(duì)比顯像技術(shù)，尤其涉及的是， 一種釆用微流控技
術(shù)制造微米級(jí)分散體的大規(guī)模集成芯片； 一種釆用該芯片的裝置，可用于制備超聲造影劑；以及采用該裝置制備微米級(jí)分散體的方法，微米級(jí)分散體可以用作超聲造影劑。
背景技術(shù)：
在臨床診斷中，無創(chuàng)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地檢測(cè)有關(guān)組織的結(jié)構(gòu)和功能信息已經(jīng)變得日益重要。超聲診斷技術(shù)不僅具有上述的特點(diǎn)，而且，與X射線、核磁共振成像技術(shù)相比，還具有安全、適應(yīng)面廣、可反復(fù)檢查、對(duì)軟組織的鑒別能力強(qiáng)、靈活性強(qiáng)及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是世界上使用最廣泛的影像技術(shù)。
應(yīng)用造影劑對(duì)比顯像是影像技術(shù)發(fā)展的核心內(nèi)容。與各種影像技術(shù)相比，超聲是應(yīng)用范圍最廣泛但惟一未能常規(guī)應(yīng)用造影劑的影像技術(shù)，對(duì)比超聲技術(shù)的核心是超聲造影劑。
1968年，Gramiak等首次觀察到經(jīng)導(dǎo)管注射含氣鹽水可使右心顯影增強(qiáng)，揭開了心臟聲學(xué)造影的序幕。在這一階段，人們主要利用通過手振生理鹽水或C02發(fā)泡劑等方法制作超聲造影劑。其微泡直徑較大、均一性不佳，難以通過肺循環(huán)。另外因?yàn)闊o外殼的保護(hù)，微泡中氣體迅速在血液中彌散使得微泡存活時(shí)間短暫，有學(xué)者將這一時(shí)期的造影劑稱為第0代超聲造影劑。
1984年Feinstein等采用聲振法制備得到穩(wěn)定的微氣泡才真正進(jìn)入左心造影時(shí)代。最開始出現(xiàn)的是包裹空氣的微泡，包裹空氣的外殼材料種類繁多，大致可以分為蛋白質(zhì)外殼、脂質(zhì)體外殼、表面活性劑外殼和高聚物外殼等，稱為第一代超聲造影劑。由于空氣在血液中的溶解度和彌散度較大，微泡內(nèi)的空氣容易通過外殼彌散入血液，使得造影劑微泡變小或消失。另外，因?yàn)槲⑴莸纳⑸湫盘?hào)與直徑的6次方成正比，只要有少量的空氣溢出， -微泡的直徑輕度變小，就會(huì)使微泡的回聲信號(hào)明顯衰減。具有代表性的產(chǎn)品有美國的Albunex、德國Schering公司的Levovist，第一代的超聲造影劑的穩(wěn)定性和存活時(shí)間不夠長，極大的限制了它的應(yīng)用，2000年后已逐漸退出造影劑市場(chǎng)及研究領(lǐng)域。
5從1995年以來，因?yàn)楦叻肿恿俊⒌脱喝芙舛群蛷浬⑿缘姆挤蝾悮怏w的引入，使超聲造影劑的存活時(shí)間及穩(wěn)定性有了顯著提高，稱為第二代超聲造影劑。具有代表性的超聲造影劑美國的Optison、 Defmity 、 EchoGen和AI-700等，意大利Bracco公司的SonoVue ( BR1)和BR14等。
目前，國外已有多種新一代產(chǎn)品上市，而國內(nèi)沒有自主上市的產(chǎn)品，意大利Bracco公司生產(chǎn)的是唯一被我國衛(wèi)生部批準(zhǔn)商品化的超聲造影劑，價(jià)格十分昂貴。
總而言之，常規(guī)超聲造影劑是一種含高濃度微泡的懸浮液，微泡以白蛋白、脂質(zhì)、表面活性劑或高聚物為外殼，平均直徑約2-4微米，小于紅細(xì)胞，經(jīng)周圍靜脈注射后能夠穩(wěn)定的通過肺循環(huán)到達(dá)左心系統(tǒng)，進(jìn)而抵達(dá)全身各器官。超聲造影劑微泡與血液及人體組織的聲阻抗差別極大，與超聲波之間的作用非常復(fù)雜，可以改變所在部位的背向散射系數(shù)、衰減系數(shù)、聲速及其它聲學(xué)特性，注入血管后能增強(qiáng)局部組織的超聲回波能力，從而明顯改善超聲影像對(duì)組織血流灌注的顯影效果，顯著提高超聲診斷的敏感性和特異性，突破了常規(guī)超聲發(fā)展的瓶頸，進(jìn)一步拓展超聲診斷領(lǐng)域。
并且，超聲造影劑不僅可用于常規(guī)造影增強(qiáng)，還可用于靶向診斷和介入治療，將特異性配體結(jié)合到造影劑微泡表面，使它到達(dá)感興趣的組織或器官，選擇性地與相應(yīng)受體結(jié)合，從而達(dá)到特異性增強(qiáng)靶區(qū)超聲信號(hào)或局部靶向治療的目的。而介入治療的研究，使超聲造影劑的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用價(jià)值不斷提升。
例如，利用造影劑微泡降低超聲空化閾值，從而促進(jìn)超聲溶栓或提高高功
率聚焦超聲的治療效果；或利用超聲波破壞攜帶基因或藥物的造影劑微泡，使基因或藥物靶向釋放并促進(jìn)其穿透，以介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)移或藥物靶向治療；或利用造影？ 1導(dǎo)射頻或微波治療并即時(shí)評(píng)價(jià)治療效果等。
靶向超聲造影劑的研究正成為超聲影像學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。無論從活性基團(tuán)的選擇、修飾方法的發(fā)明、靶向作用的檢測(cè)，還是體內(nèi)藥代藥效研究和臨床應(yīng)用都取得了非常可喜的成績。隨著高分子材料的快速發(fā)展和^:泡制備工藝的不斷完善，微泡超聲造影劑必將朝著更加個(gè)性化的方向發(fā)展，未來的微泡超聲造影劑不僅能應(yīng)用于不同生理和病理狀態(tài)下的特異超聲成像，還可以作為攜帶藥物或治療基因的載體，在治療領(lǐng)域開辟一片新的天地。為此，國外醫(yī)療機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)超聲造影劑不久將成為超聲診斷或治療中的常用試劑，具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
目前，超聲領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)集中在兩方面 一是各種增強(qiáng)超聲造影的成像技術(shù)，如觸發(fā)成像技術(shù)、二次諧波成像技術(shù)、次諧波成像技術(shù)、基波脈沖抵消成像技術(shù)、能量脈沖反向成像技術(shù)、低機(jī)械指數(shù)實(shí)時(shí)成像技術(shù)等；另一方面則是研究新的更加穩(wěn)定可靠的超聲造影劑。
理想的超聲造影劑應(yīng)具備以下特性(l)安全無毒，粘稠度低，無生物活性，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)沒有生理上的影響，不明顯稀釋紅細(xì)胞濃度；(2)微泡大小符合要求,具有一定的氣泡壓力，使灌注后保持足夠長的時(shí)間和足夠強(qiáng)的回波強(qiáng)度；(3)反射性好,衰減偽差小，回波信號(hào)及多普勒信號(hào)增強(qiáng)明顯，能夠發(fā)生諧波共振增大背散射面積；(4)能靜脈給藥，體內(nèi)穩(wěn)定性好，使用方便，對(duì)造影顯像的儀器條件沒有極為特殊的要求，便于普及；(5)具有穩(wěn)定的濃度和劑型，易于消毒、滅菌、保存、運(yùn)輸，能夠批量生產(chǎn)。
目前最常用的制備超聲造影劑微泡的方法是聲振法和機(jī)械振蕩法。
聲振法是利用超聲波振蕩時(shí)產(chǎn)生的高頻變換的正負(fù)聲壓，其中的負(fù)聲壓使存在于造影劑制備液中的氣體膨脹形成微小氣泡，此時(shí)，制備液中的脂質(zhì)或白蛋白、表面活性劑、多聚體等趁機(jī)包裹微小氣泡形成穩(wěn)定的造影劑微泡。超聲造影劑中的白蛋白類、脂類、多聚體類、表面活性劑類等，其制備過程都是采用聲振法。
但是，聲振法存在以下缺點(diǎn)(1)探頭式聲振儀的工藝參數(shù)，包括功率、探頭在液面的位置、深度等，不易控制，工藝重現(xiàn)性受到一定影響；(2)由于探頭要放在制備液內(nèi)部，因此在聲振過程中很難做到無菌操作，并存在金屬污染的可能，給造影劑的質(zhì)量控制、制備工藝增加了一定難度；(3)聲振過程中產(chǎn)生較多的熱量，對(duì)脂質(zhì)的活性，尤其在制備攜帶某些配體、藥物或基因的造影劑時(shí)，對(duì)同時(shí)聲振的配體、藥物或基因的活性產(chǎn)生4艮大的影響。
機(jī)械振蕩法是利用高頻機(jī)械振蕩時(shí)，制備液中各點(diǎn)受力的時(shí)相不同產(chǎn)生不同的正負(fù)壓力，其中的負(fù)壓可使存在于制備液中的氣體形成微小氣泡。頻率越高，正負(fù)壓力的變換越快，負(fù)壓的時(shí)間越短，氣體膨脹越小，形成的氣泡就越小；振幅越小，產(chǎn)生的負(fù)壓力越小，相同時(shí)間情況下，由負(fù)壓產(chǎn)生的氣體膨脹越小，形成的氣泡越小，由于制備超聲造影劑需要形成較小的微泡，因此，制備超聲造影劑的機(jī)械振蕩裝置需要較高的頻率、較低的振幅。
但是，機(jī)械振蕩法存在以下缺點(diǎn)(1)造影劑微泡粒徑大小不能夠精確控 制；(2)形成的微泡粒徑分布比較寬，聲學(xué)特性不穩(wěn)定，微泡中均含有一定數(shù) ,量大于10微米的微泡，這些大的微泡可能會(huì)造成局部血管的堵塞或者破裂，使 得超聲造影劑的使用潛存一定的風(fēng)險(xiǎn)性；(3)形成微泡的外殼厚度不均勻；(4) 機(jī)械振蕩方法來產(chǎn)生足夠的力把氣體從周圍環(huán)境《1入到液體溶液中形成氣泡， 振蕩速度很大程度上決定形成微泡的數(shù)量和大小，如國內(nèi)臨床批準(zhǔn)使用的造影 劑SonoVue,使用手搖的方式制備，重復(fù)性不夠好。
因此，現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，需要改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種實(shí)用的大規(guī)模微流控流動(dòng)聚焦裝 置，以及粒徑均一、可控制、單分散的聲學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的超聲造影劑制備方法， 以制備粒徑大小可控并且呈單分散性的超聲造影劑。在此基礎(chǔ)上，提供一種集 成芯片、采用該集成芯片的裝置和采用該裝置制備^:米級(jí)分散體的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
集成芯片的一種技術(shù)方案是，以兩層相鄰結(jié)構(gòu)為一組結(jié)構(gòu)，所述集成芯片 包括至少一組結(jié)構(gòu)；在一組結(jié)構(gòu)中，第一層結(jié)構(gòu)設(shè)置M級(jí)梯度，第二層結(jié)構(gòu)設(shè) 置N級(jí)梯度；其中，M、 N是自然數(shù)，M小于N;各級(jí)梯度中，第一級(jí)梯度設(shè) 置Hl個(gè)通道1,第二級(jí)梯度從每個(gè)通道1中引出H2個(gè)分支，形成Hl x H2個(gè) 通道2，以此類推，第N級(jí)梯度從每個(gè)通道(N-1)中引出HN個(gè)分支，形成H1 xH2……xHN個(gè)通道N;
在一組結(jié)構(gòu)中，對(duì)于第一層結(jié)構(gòu)的任一特定通道M,均對(duì)應(yīng)于第二層結(jié)構(gòu) 從一通道M所引出的在第N級(jí)梯度形成H(M+1) x H(M+2)...... x H(N - 1) x HN
數(shù)量的特定通道N;
其中，各特定通道N的出口，等距分布在一預(yù)設(shè)置半徑圓形的圓周；對(duì)于 該特定通道M,其輸出方向垂直于該圓形，其出口與該圓形的垂線通過該圓形 的圓心，該特定通道M的出口與該圓心距離一特定長度；各特定通道N的輸出 方向與所述垂線的夾角為相同銳角；沿該特定通道M的輸出方向，在該圓形遠(yuǎn)離該特定通道M的一側(cè)，設(shè)置一收集通道；所述集成芯片還包括至少一與各收 集通道的輸出端相連接的收集槽，用于收集和導(dǎo)出產(chǎn)物。 集成芯片的又一種技術(shù)方案是，M=N - 1。
集成芯片的又一種技術(shù)方案是，各特定通道N的輸出方向通過該圓形圓心。 集成芯片的又一種技術(shù)方案是，通道M和通道N的橫截面為矩形；所述矩 形高度為20拜至30pm、寬度分別為30|im至50pm、 50(im至100pm,或者， 分別為50,至100|xm、 30jim至50拜。
集成芯片的又一種技術(shù)方案是，所述收集通道的結(jié)構(gòu)至少包括以下結(jié)構(gòu)其 中之一外向放大的錐體、球體、半球體或錐臺(tái)體，其輸入端的管徑為7nm至 25拜，高度為20,至30,;或者，圓柱體或長方體，其沿對(duì)應(yīng)的特定通道M 輸出方向的截面積略小于該特定通道M沿該方向的截面積，高度為20pm至 30拜。
集成芯片的又一種技術(shù)方案是，其基質(zhì)為表面親水性基質(zhì)。
集成芯片的又一種技術(shù)方案是，其基質(zhì)為硅、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚 曱基丙烯酸曱酯或聚,灰酯。
集成芯片的又一種技術(shù)方案是，第一層結(jié)構(gòu)與第二層結(jié)構(gòu)的組合，為氣體 通道結(jié)構(gòu)與液體通道結(jié)構(gòu)的組合。
裝置的一種技術(shù)方案是，其包括第一物質(zhì)輸入單元、第二物質(zhì)輸入單元、 至少一集成芯片形成的集成芯片陣列、貯存單元；其中，集成芯片為上述任一 關(guān)于集成芯片的技術(shù)方案，所對(duì)應(yīng)的集成芯片；
各集成芯片的收集槽，分別與所述貯存單元相連接，用于收集和導(dǎo)出產(chǎn)物； 所述第一物質(zhì)輸入單元分別與各集成芯片的一層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接，用于 輸入第一物質(zhì)；所述第二物質(zhì)輸入單元分別從各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu)的各通 道l相連接，用于輸入第二物質(zhì)。
裝置的又一種技術(shù)方案是，所述第一物質(zhì)輸入單元與所述第二物質(zhì)輸入單 元的組合，為氣體輸入單元與液體輸入單元的組合；或者，所述第一物質(zhì)輸入 單元與所述第二物質(zhì)輸入單元均為液體輸入單元。
裝置的又一種技術(shù)方案是，所述氣體輸入單元包括順序連接的壓力儲(chǔ)氣罐、 減壓閥、第一傳輸管、微流量計(jì)、調(diào)壓閥和第二傳輸管，所述第二傳輸管分別 與各集成芯片的一層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接；所述液體輸入單元包括順序連接的儲(chǔ)液器、第三傳輸管、數(shù)字控制式注射泵和第四傳輸管，所述第四傳輸管分 別與各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接。
制備微米級(jí)分散體的方法的一種技術(shù)方案是，應(yīng)用于一包括集成芯片陣列
的裝置中，所述集成芯片陣列由集成芯片組成，其中，集成芯片為上述任一關(guān)
于集成芯片的技術(shù)方案，所對(duì)應(yīng)的集成芯片；裝置為上述任一關(guān)于裝置的技術(shù) 方案，所對(duì)應(yīng)的裝置；
所述方法包括以下步驟Al、按第一預(yù)設(shè)置條件，向各集成芯片的一層結(jié) 構(gòu)的各通道1輸入第一物質(zhì)；按第二預(yù)設(shè)置條件，向各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu) 的各通道l輸入第二物質(zhì)；A2、調(diào)節(jié)第一物質(zhì)和/或第二物質(zhì)的輸入條件，使各 個(gè)第一層結(jié)構(gòu)的各通道M輸出的物質(zhì)以同軸流動(dòng)形式，由對(duì)應(yīng)的各特定通道N 的物質(zhì)按軸向進(jìn)行包裹，分別形成待收集產(chǎn)物流，其軸向與所述垂線重合；A3、 從各收集通道的輸出端收集和導(dǎo)出產(chǎn)物。
制備微米級(jí)分散體的方法的另一種技術(shù)方案是，所述第一物質(zhì)與所述第二 物質(zhì)的組合，為氣體與液體的組合；所述氣體至少包括氮?dú)?、氟碳類氣體、氟 硫類氣體其中之一；所述液體至少包括磷脂類液體、表面活性劑類液體、上述 液體的改性液其中之一。
制備微米級(jí)*體的方法的另一種技術(shù)方案是，步驟A1中，向各集成芯片 的第一層結(jié)構(gòu)的各通道1輸入第一液體，向各集成芯片的第二層結(jié)構(gòu)的各通道1 輸入氣體或第二液體；步驟A2中，使各個(gè)第一層結(jié)構(gòu)的各通道M輸出的第一 液體以同軸流動(dòng)形式，由氣體或第二液體按軸向包裹所述第一液體，分別形成 待收集微液滴流。
制備微米級(jí)分散體的方法的另一種技術(shù)方案是，步驟A1中，向各集成芯片 的一層結(jié)構(gòu)的各通道l輸入氣體，壓力低于10psi,向各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu) 的各通道1輸入液體，流速低于3pL/s;步驟A2中，調(diào)節(jié)氣體和/或液體的輸入 條件。
制備微米級(jí)分散體的方法的另一種技術(shù)方案是，步驟A1中，輸入氣體的壓 力低于5psi,輸入液體的流速低于1.5^L/s。
制備微米級(jí)分散體的方法的另一種技術(shù)方案是，步驟A1中，所述液體預(yù)先 加入特異性配體；或者，步驟A3之后，向所述產(chǎn)物加入特異性配體。
制備微米級(jí)分散體的方法的另一種技術(shù)方案是，步驟A1中，向各集成芯片的第一層結(jié)構(gòu)的各通道1輸入氣體，向各集成芯片的第二層結(jié)構(gòu)的各通道1輸
入液體；步驟A2中，調(diào)節(jié)氣體和/或液體的輸入條件，使各個(gè)第一層結(jié)構(gòu)的各 通道M輸出的氣體以同軸流動(dòng)形式，按軸向包裹液體，分別形成待收集微球流。
制備微米級(jí)分散體的方法的另一種技術(shù)方案是，步驟A2中，各個(gè)第一層結(jié) 構(gòu)的各通道M輸出的氣體，分別在兩側(cè)高速流動(dòng)的液體聚焦作用下形成中軸線 位于所述垂線位置的穩(wěn)定倒錐體，各倒錐體的尖端分別與各收集通道位置相對(duì)。
采用上述方案，本發(fā)明提供了一種集成芯片、采用該集成芯片的裝置和采 用該裝置制備微米級(jí)分散體的方法。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供了一種實(shí)用的大 規(guī)模微流控流動(dòng)聚焦裝置，以及粒徑均一、可控制、單分散的聲學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的 超聲造影劑制備方法，以制備粒徑大小可控并且呈單分散性的超聲造影劑；本 超聲造影劑制備簡便、效果好且安全，制備的微泡外殼厚度均勻，具有很高的 應(yīng)用價(jià)值。
最顯著的優(yōu)點(diǎn)是制作的超聲造影劑微泡具有高度單分散性和粒徑可控性， 滿足超聲造影成像技術(shù)的要求。微泡粒徑的多^性指數(shù)<2°/。，粒徑隨著氣體壓 力的增加而變大，隨著液體流速的增加而減小，控制非常靈活；同時(shí)，采用多 個(gè)收集通道所形成的微噴嘴陣列大大提高了微泡的制備效率；生產(chǎn)裝置具有重 復(fù)使用性，降低了生產(chǎn)成本。
并且，本發(fā)明的裝置和方法可用于制備多種類型的微米級(jí)分散體，包括超 聲造影劑微泡，以及微液滴或其他微型混和物。常規(guī)的超聲造影劑可直接用該 裝置制備，如脂類、白蛋白類、多聚體類、表面活性劑類等；通過加入特異性 配體，還可以制備靶向超聲造影劑，有些殼材，如蛋白分子，在高溫和超聲條 件下失活，所以本發(fā)明方法解決了以往聲振法所不能的解決的技術(shù)問題。該發(fā) 明裝置對(duì)這兩種方法都適用，特別是當(dāng)采用后一種選擇時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn) 一是減少了制備環(huán)節(jié)，二是減少了制備環(huán)節(jié)微泡的破壞。而且，本發(fā)明裝置在 造影劑制備過程中產(chǎn)熱少，因此尤其適合用于制備兼藥物或基因靶向載體的超 聲造影劑。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的超聲造影劑制備裝置的示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例的微流控大規(guī)模集成芯片的底層通道結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的微流控大規(guī)模集成芯片的頂層通道結(jié)構(gòu)示意圖4是圖2虛線框所示的噴嘴結(jié)構(gòu)放大示意圖5是本發(fā)明實(shí)施例的微泡形成示意圖6是本發(fā)明另 一實(shí)施例的微流控大規(guī)模集成芯片的示意圖7是圖6虛線框所示結(jié)構(gòu)的放大圖8是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)一生成的微泡照片；
圖9是本發(fā)明實(shí)施例裝置的另一種噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖IO是本發(fā)明實(shí)施例的連通腔中，各特定通道N的出口所在平面的示意圖;
圖11是圖IO所示的縱向平面的示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
超聲造影劑微泡的粒徑大小及其分布是超聲造影劑的重要指標(biāo)，然而，目 前的超聲造影劑制作方法如聲振法、機(jī)械振蕩法產(chǎn)生的微泡粒徑分布范圍較寬， 且主要通過手搖或者振蕩的方式形成，聲學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。因此，提出一種大規(guī) 模微流控超聲造影劑的制備方法及裝置，結(jié)合目前較成熟的微納米加工技術(shù)制 作微流控大規(guī)模集成芯片，利用流動(dòng)聚焦原理，制備出粒徑大小可控制且高度 單g性的微泡，微泡外殼厚度均勻，不僅可以獲得穩(wěn)定的聲學(xué)性質(zhì)，也可以 減少不同大小微泡之間的融合成大微泡的可能，具有更高的有效性和安全性， 操作具有較好的重復(fù)性和可控性。
因此，本發(fā)明提出一種采用了微流控技術(shù)的集成芯片，通過微流控方式， 可大規(guī)模地制備微米級(jí)分散體，包括超聲造影劑或其他微型混和物。
集成芯片的基質(zhì)為表面親水性基質(zhì)，所述表面親水性基質(zhì)包括親水性基質(zhì)、 以及表面進(jìn)行過親水性處理的疏水性基質(zhì)；需要說明的是，通道的材料不一定 要有親水性，但是，疏水性材料的效果沒有親水性材料的效果好，對(duì)于疏水性 的材料，可將其表面處理為親水性，也能獲得類似于親水性材料的效果；表面 為親水性的基質(zhì)，可以很順暢地產(chǎn)生微泡。
一個(gè)例子是，其基質(zhì)為硅、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚曱基丙烯酸曱酯或 聚碳酯。其中，工藝上可滿足結(jié)構(gòu)要求、不易與通道內(nèi)的氣體、液體發(fā)生反應(yīng) 的材料均可作為基質(zhì)，本發(fā)明對(duì)此不作任何額外限制；例如，聚二曱基硅氧烷具有良好的絕緣性，能承受高電壓；熱穩(wěn)定性高，適合加工各種反應(yīng)芯片；具 有優(yōu)良的光學(xué)特性，可應(yīng)用于多種光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)；此外，它還可以和硅、氮化 硅、氧化硅、玻璃等許多材料形成很好的密封，其還具有高疏水性以及對(duì)生物 大分子較強(qiáng)的表面吸附特性，因此已廣泛應(yīng)用于微流控芯片研究領(lǐng)域。
以兩層相鄰結(jié)構(gòu)為一組結(jié)構(gòu)，所述集成芯片包括至少一組結(jié)構(gòu)；即所述集 成芯片可以包括兩層結(jié)構(gòu)，或者包括四層結(jié)構(gòu)、六層結(jié)構(gòu)、八層結(jié)構(gòu)甚至更多。 例如，所述集成芯片僅設(shè)置一組結(jié)構(gòu)。即，所述集成芯片為偶數(shù)層結(jié)構(gòu)，進(jìn)行 上下堆疊或傾斜堆疊而形成，各層結(jié)構(gòu)的具體特征如下所述所述集成芯片任 一端的邊緣層結(jié)構(gòu)，與該邊緣層結(jié)構(gòu)相鄰的層結(jié)構(gòu)，組成了一組結(jié)構(gòu)；所述集 成芯片可以有一組結(jié)構(gòu)，也可以有多組結(jié)構(gòu)。集成芯片也可以平行排列而形成， 即一組結(jié)構(gòu)或多組上下堆疊的多層結(jié)構(gòu)平行排列。
在一組結(jié)構(gòu)中，具有兩層相鄰的結(jié)構(gòu)，其中，第一層結(jié)構(gòu)設(shè)置M級(jí)梯度， 第二層結(jié)構(gòu)設(shè)置N級(jí)梯度；其中，M、 N是自然數(shù)，M小于N;各級(jí)梯度中， 第一級(jí)梯度設(shè)置Hl個(gè)通道1,第二級(jí)梯度從每個(gè)通道1中引出H2個(gè)分支，形 成Hl x H2個(gè)通道2,以此類推，第N級(jí)梯度從每個(gè)通道(N - l)中引出HN個(gè)分 支，形成HlxH2...... xHN個(gè)通道N。優(yōu)選的例子是，每級(jí)分支相對(duì)于前一級(jí)
分叉的分支要均勻分布，主要是為了保證最后各通道出來的同樣的液體的流速 一致，或同樣的氣體的流速一致；即，第N級(jí)梯度從每個(gè)通道(N-l)中引出HN 個(gè)分支，某一通道(N-l)所引出的HN個(gè)分支，相對(duì)于該通道均勻分布。
其中，第一層結(jié)構(gòu)的各通道l，用于輸入第一種物質(zhì)；第二層結(jié)構(gòu)的各通道 1，用于輸入第二種物質(zhì)。第一種物質(zhì)和第二種物質(zhì)，可以為不同的氣體或液體， 也可以為兩種不同的液體，還可以是，第一種物質(zhì)為氣體，第二種物質(zhì)為液體， 也可以是，第一種物質(zhì)為液體，第二種物質(zhì)為氣體。例如，第一層結(jié)構(gòu)作為氣 體通道，第二層結(jié)構(gòu)作為液體通道；或者，第一層結(jié)構(gòu)作為液體通道，第二層 結(jié)構(gòu)作為氣體通道；或者，第一層結(jié)構(gòu)作為第一種液體通道，第二層結(jié)構(gòu)作為 第二種液體通道。
例如，第一層結(jié)構(gòu)作為氣體通道，第二層結(jié)構(gòu)作為液體通道；此時(shí)，第一 層結(jié)構(gòu)的Hl個(gè)通道1分別連接氣體輸入口 ，第二層結(jié)構(gòu)的Hl個(gè)通道1分別連 接液體輸入口 ；第一層結(jié)構(gòu)的Hl x H2...... x HM個(gè)通道M分別連接氣體輸出
口，第二層結(jié)構(gòu)的HlxH2……xHN個(gè)通道N連接液體輸出口?；蛘撸谝粚咏Y(jié)構(gòu)作為液體通道，第二層結(jié)構(gòu)作為氣體通道，其余類似，不做贅述。
一個(gè)優(yōu)選的例子是，M= N - 1 ，即M比N小1，第一層結(jié)構(gòu)的梯度數(shù)比第 二層結(jié)構(gòu)的梯度^i:少一層。例如，N為8， M為7。
或者，M比N小2、 3、 4.......等等，例如，N為8， M為4;又如，N為
6， M為3;又如，N為9， M為7;又如，N為21, M為12。本發(fā)明對(duì)此不做 額外限制，只需能夠?qū)崿F(xiàn)第一層結(jié)構(gòu)與第二層結(jié)構(gòu)梯度數(shù)的差異即可。
其中，Hl、 H2、 H3……畫、H(M+1)、 H(M+2)……H(N-2)、 H(N- 1)、 HN 可以全部相同，也可以部分相同，還可以均不相同。例如，Hl、 H2、 H3……HM、 H(M+1)、 H(M+2)……HN均為2，并且，M=N-1，這樣通道N的數(shù)量是通道 M的2倍；這種情況下，由于H1為2，因此有兩個(gè)氣體入口和兩個(gè)液體入口； 或者，Hl為2, H2至HN均為3;或者，Hl為1， H2為2、 H3為3、 H4為4...… HN為N;或者，其均不相同，如H1為4， H2為1、 H3為6、 H4為5……HN 為2。本發(fā)明對(duì)此不做額外限制，只需能夠?qū)崿F(xiàn)各級(jí)分支結(jié)構(gòu)即可。
對(duì)于通道的形狀，各通道的橫截面優(yōu)選為矩形；其中，通道M橫截面與通 道N橫截面，可以為形狀相同或者不相同的矩形，例如，所述矩形的高度為20(im 至30pim，通道M橫截面的寬度為30拜至50pm，通道N橫截面的寬度為50^im 至100^im;或者，通道M橫截面的寬度為50^n至lOO^m,通道N橫截面的寬 度為30pm至50|iim;或者，通道M橫截面與通道N橫截面的寬度均為30拜至 50fjm。
一個(gè)例子是，通道為均一或不均一的長方體，但是截面一定是矩形，例如 通道為一個(gè)正四棱錐臺(tái)、 一個(gè)橫截面為相似矩形的四棱錐臺(tái)、或一個(gè)梯形臺(tái)。 一個(gè)優(yōu)選的例子是，各通道為長方體，通道的橫截面為矩形，其高度為20nm至 30(xm，寬度為30(im至lOOjmi。例如，該矩形的高度為25pm,寬度為40pm; 又如，該矩形的高度為28,，寬度為35^mi;又如，該矩形的高度為22^im,寬 度為45pm;又如，該矩形的高度為21pm,寬度為85pm;又如，該矩形的高度 為29pm，寬度為65^m;又如，該矩形的高度為29pm，寬度為75拜。
一個(gè)優(yōu)選的例子是，通道M橫截面與通道N橫截面，為高度相同的矩形。 也就是說，對(duì)于某一通道，垂直于其通道方向的截面，即該通道的通道截 面作為所述橫截面，為正方形或長方形，需要說明的是，通道截面還可以為三 角形、菱形、五邊形或其他形狀，本發(fā)明對(duì)此不做額外限制；對(duì)于各通道而言，只需其通道截面的面積，至少為600平方孩克米即可，例如，其通道截面的面積 為800、 900或1000平方微米。又如，各通道為圓柱體或其他形體；或者，各 通道還可以是彎折變向的方形體、圓形體或螺旋狀，例如呈L形、Y形等；此 時(shí)，通道的輸出方向?yàn)槠渥詈笠欢挝磸澱弁ǖ赖姆较颍?，L形通道的輸出方 向?yàn)樽兿蚝缶哂谐隹诘囊欢瓮ǖ赖姆较颉?br> 在一組結(jié)構(gòu)中，對(duì)于第一層結(jié)構(gòu)的任一特定通道M,均對(duì)應(yīng)于第二層結(jié)構(gòu) 從一通道M所引出的HM個(gè)分支中的某一分支；該分支在第M+l級(jí)梯度形成 H(M+1)個(gè)分支……在第N級(jí)梯度形成H(M+1) x H(M+2)……xH(N-1) x HN數(shù)量的特定通道N;即對(duì)于第一層結(jié)構(gòu)的任一通道M，在第二層結(jié)構(gòu)中，與 該第一層結(jié)構(gòu)通道M對(duì)應(yīng)的第二層結(jié)構(gòu)通道M在下一級(jí)梯度將引出H(M+1)個(gè) 分支，這些分支最終在第N級(jí)梯度形成H(M+1) x H(M+2)……xH(N-l) x HN個(gè)通道N,與該第一層結(jié)構(gòu)通道M相對(duì)應(yīng)。
其中，各特定通道N的出口等距分布在一預(yù)設(shè)置半徑圓形的圓周，即，這 些通道N的出口排列形成正多邊形，并位于正多邊形上的各個(gè)頂點(diǎn)；例如，這 些通道N的出口形成正三角形、正方形、正五邊形、正六邊形……正99邊形、 正100邊形、正101邊形等等；特殊的，當(dāng)僅有兩個(gè)通道N時(shí)，出口位于該預(yù) 設(shè)置半徑圓形的某一直徑的兩端。其中，預(yù)設(shè)置半徑可根據(jù)實(shí)際情況而設(shè)置， 例如，根據(jù)不同的反應(yīng)物、不同的反應(yīng)條件，預(yù)設(shè)置該圓形半徑的大小。圓形 的半徑與通道的尺寸有關(guān)系，以第一層通道輸入氣體，第二層通道輸入液體為 例，氣體出口垂直于前述圓形時(shí)，液體出口均布在氣體出口的周邊即可。例如， 該圓形半徑為150|am至1500nm,更具體的例子是，該圓形半徑可為250|im、 500pm、 700|im、 1100(am、 1200pm、 1400,等等。優(yōu)選的是，該圓形半徑與通 道的寬度相對(duì)應(yīng)，通道的寬度越大，則該圓形半徑越大。
需要說明的是，當(dāng)尺度較小時(shí)，例如，以微米級(jí)進(jìn)行量度時(shí)，通道的出口、 以及收集通道的輸入端，往往是一個(gè)面的概念；而本發(fā)明各實(shí)施例中，凡是涉 及到點(diǎn)與點(diǎn)之間的連線，應(yīng)理解為出口面的中心點(diǎn)，或者，輸入端的面的中心 點(diǎn)；例如， 一個(gè)三角形或矩形的幾何中心點(diǎn)；或者，大致為出口面的中心點(diǎn)， 或輸入端的面的中心點(diǎn)。這樣，出口排列形成正多邊形，才能獲得更好的精度。 并且，出口之間的連線、出口與收集通道的輸入端之間的連線才能更精確，以 獲得更好的效果。一個(gè)例子如圖IO所示，有六個(gè)特定通道N，其出口等距分布在一預(yù)設(shè)置半徑圓形的圓周，六個(gè)出口形成一正六邊形，位于一橫向平面中，該橫向平面位于一連通腔中，液體分別從各個(gè)特定通道N的出口流向該預(yù)設(shè)置半徑圓形的圓心，即，液體出口到圓心的距離相同，并且排列為正六邊形；并且，正六邊形中，任意兩個(gè)相對(duì)的特定通道N,位于一個(gè)縱向平面內(nèi)；例如任意兩個(gè)相對(duì)的特定通道N,與該預(yù)設(shè)置半徑圓形的圓心形成對(duì)稱或大致對(duì)稱關(guān)系。
上例中，任一縱向平面如圖11所示，兩個(gè)相對(duì)的特定通道N，對(duì)于該特定通道M的出口與該圓形的垂線，形成軸對(duì)稱關(guān)系；第一層氣體從出口輸出之后，繼續(xù)再流動(dòng)一段距離，即一段特定長度，該特定長度主要是與第二層液體通道矩形橫截面的高度或?qū)挾扔嘘P(guān)系，例如，該特定長度為液體通道橫截面的寬度或高度的25°/。至75%，如通道橫截面的高度的30%、 40°/。、 50°/。、 60%、 70°/0等等，優(yōu)選的例子是，當(dāng)只有兩個(gè)液體通道和一個(gè)氣體通道時(shí)，所有出口全部在一個(gè)平面內(nèi)，如圖4和圖5所示，氣體通道出口與圓心的距離就是液體通道橫截面的寬度的一半；當(dāng)有多個(gè)液體通道，氣體通道出口垂直于液體通道出口所在平面時(shí)，氣體通道出口與圓心的距離就是液體通道橫截面的高度的一半。之后氣體與液體混合，在進(jìn)入所述收集通道的輸入端之前，形成待收集產(chǎn)物流，通過收集通道進(jìn)行收集；例如，形成倒錐體或其他形狀的待收集產(chǎn)物流，通過收集通道進(jìn)行收集。
上面這兩個(gè)例子，描述的是偶數(shù)個(gè)特定通道N，任一縱向平面具有形成軸對(duì)稱關(guān)系或大致對(duì)稱的一對(duì)特定通道N;需要說明的是，如果是奇數(shù)個(gè)特定通道N，雖然在縱向平面上不能形成一對(duì)特定通道N，但是，同樣可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的效果。例如，五個(gè)特定通道N,其出口等距分布在一預(yù)設(shè)置半徑圓形的圓周，五個(gè)出口形成一正五邊形，位于一橫向平面中，該橫向平面位于一連通腔中，
液體分別從各個(gè)特定通道N的出口流向該預(yù)設(shè)置半徑圓形的圓心。
該特定通道M的輸出方向垂直于該圓形，該特定通道M的出口與該圓形的垂線通過其圓心，即這個(gè)通道M的輸出方向與圓形所在的平面相垂直，這個(gè)通道M的出口在該平面的投影位于該圓形的圓心。各特定通道N的輸出方向與所述垂線的夾角相同，并且，這些夾角為銳角；例如，各特定通道N的輸出方向通過該圓形圓心，各特定通道N根據(jù)其數(shù)量，位于該圓形的各等分線上，假設(shè)有3個(gè)特定通道N，則相鄰兩個(gè)特定通道N之間的夾角為120度；或者，各特定通道N可組成一個(gè)直圓錐體，該直圓錐體以該特定通道M的輸出方向?yàn)樾D(zhuǎn)
軸，各特定通道N與該旋轉(zhuǎn)軸的夾角相同，并且，這些夾角為銳角；例如，夾 角均為30度、45度、60度、75度或80度等等。例如，由于各特定通道N的 出口等距分布在一預(yù)設(shè)置半徑圓形的圓周，當(dāng)各特定通道N的數(shù)量為偶數(shù)時(shí)， 對(duì)稱于該旋轉(zhuǎn)軸的兩條特定通道N的出口 ，所對(duì)應(yīng)的兩條特定通道N形成一包 括該旋轉(zhuǎn)軸的平面，并且，兩條特定通道N在其輸出方向上，可形成一等腰梯 形。例如，各特定通道N形成一種對(duì)稱的形狀；例如為一個(gè)半截的六棱錐體， 即一個(gè)六棱錐臺(tái)，其底面為正六邊形，六棱可組成三個(gè)等腰梯形。
這樣，在一組結(jié)構(gòu)中，通過調(diào)節(jié)一層結(jié)構(gòu)的輸入條件與另一層結(jié)構(gòu)的輸入 條件，使各個(gè)第一層結(jié)構(gòu)的各通道M輸出的物質(zhì)以同軸流動(dòng)形式，由對(duì)應(yīng)的各 特定通道N的物質(zhì)按軸向包裹某一通道M輸出的物質(zhì)，即以某一通道M輸出 的物質(zhì)的流向?yàn)檩S，通過輸出對(duì)應(yīng)的各特定通道N的物質(zhì)，^v而形成一層層的 覆以對(duì)應(yīng)的各特定通道N輸出的物質(zhì)；或者說，各特定通道N輸出的物質(zhì)沿軸 向，以同心圓形式覆蓋在通道M輸出的物質(zhì)上；分別形成待收集產(chǎn)物流，例如， 待收集產(chǎn)物流形成一倒錐體；其軸向與所述旋轉(zhuǎn)軸重合。即某個(gè)第一層結(jié)構(gòu)的 某一通道M輸出的物質(zhì)， 一直沿著其輸出方向流動(dòng)，或者以螺旋形繞著其輸出 方向流動(dòng)；以其輸出方向?yàn)檩S向，由其對(duì)應(yīng)的各特定通道N的物質(zhì)按軸向包裹 之。
各特定通道N的出口與該特定通道M的出口連通設(shè)置；例如，各特定通道 N的出口通過一連通腔與該特定通道M的出口連通設(shè)置；本發(fā)明各例中，對(duì)連 通腔不作任何限制，只需能夠?qū)崿F(xiàn)形成一待收集產(chǎn)物流并通過收集槽輸出即可， 也可以不設(shè)置該連通腔。
沿該特定通道M的輸出方向，在該圓形遠(yuǎn)離該特定通道M的一側(cè)，對(duì)應(yīng)設(shè) 置一收集通道；用于在所述收集通道的輸入端之前，形成待收集產(chǎn)物流，在收 集通道的輸入端收集產(chǎn)物，通過收集通道輸出到收集槽；即設(shè)置了與通道M的 數(shù)量相同的收集通道，對(duì)于各個(gè)特定通道M，分別沿其輸出方向設(shè)置一收集通 道，特定通道M與其收集通道的輸出方向相同，同在一直線上。
一個(gè)例子是，所述收集通道的結(jié)構(gòu)包括以下結(jié)構(gòu)的一種或多種外向放大 的錐體、球體、半球體或錐臺(tái)體，錐臺(tái)體即一個(gè)錐體切去尖端的剩余臺(tái)體部分， 其輸入端的管徑為7)im至25pm,高度為20nm至30jam;或者，圓柱體或長方體，如圖9所示，其沿對(duì)應(yīng)的特定通道M輸出方向的通道截面的面積略小于該 特定通道M沿該方向的通道截面的面積，高度為20pirn至30|iim，此時(shí)，需要控 制圓柱體或長方體通道的長度，使得微泡正好在收集槽中產(chǎn)生，以具備速度梯 度，從而產(chǎn)生剪切力。例如，收集通道的結(jié)構(gòu)為外向放大的錐體，或者，收集 通道的結(jié)構(gòu)為外向放大的錐臺(tái)體與圓柱體的組合。
所述集成芯片還包括至少一與各收集通道的輸出端相連接的收集槽，用于 收集和導(dǎo)出產(chǎn)物。
并且，利用現(xiàn)有的微納米級(jí)加工技術(shù)，經(jīng)過甩膠、曝光、顯影、澆注、剝 離、粘合等步驟，可以制作出基于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane， PDMS)、聚曱基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酯(PC)的微流控大規(guī)模集成芯 片。
例如，Hl為1， H2至HN均為2,如圖11所示，所述特定通道M的出口 與其對(duì)應(yīng)收集通道輸入端的連線，垂直于兩個(gè)特定通道N出口的連線，即每個(gè) 特定通道M對(duì)應(yīng)于兩個(gè)特定通道N,兩個(gè)特定通道N各自的出口，兩者連成線 段的中線為特定通道M的出口與對(duì)應(yīng)的收集通道的輸入端的連線；并且，通常 情況下，這兩個(gè)特定通道N關(guān)于上述中線對(duì)稱設(shè)置；也就是i兌，這是一個(gè)特例， 此時(shí)，兩個(gè)出口不能形成一個(gè)確定的圓形，仍是等距分布在一預(yù)設(shè)置半徑圓形 的圓周，因此，兩個(gè)特定通道N各自的出口，兩者連成線段的中垂線為特定通 道M的出口與對(duì)應(yīng)的收集通道的輸入端的連線。由于兩個(gè)特定通道N出口所構(gòu) 成的圓形不是唯一的，因此前述連線亦是屬于特定通道M的出口與所述圓形圓 心的垂線之一。
這樣，當(dāng)N為9， M為8時(shí)，則第一層結(jié)構(gòu)最終形成2的(M-l)次方，即2 的7次方，即128個(gè)通道出口，第二層結(jié)構(gòu)最終形成2的(N-1)次方，即2的8 次方，即256個(gè)通道出口；也就是說，其具有128個(gè)通道M,每個(gè)通道M對(duì)應(yīng) 著兩個(gè)通道N，共有128個(gè)輸出端；例如通道M1對(duì)應(yīng)著通道Nll和通道N12， 通道Nll和通道N12的輸出方向相對(duì)，并位于同一直線上；通道N11的出口到 通道M1的出口的距離、與通道N12的出口到通道M1的出口的距離相同。
在上述實(shí)例中，裝置的典型特征是集成了 128個(gè)擴(kuò)展形噴嘴腔體，例如， 如圖3所示，第一層結(jié)構(gòu)輸入氣體，如圖2所示，第二層結(jié)構(gòu)輸入液體；噴嘴 結(jié)構(gòu)如圖4所示，每一氣體輸出通道口對(duì)應(yīng)著兩個(gè)相對(duì)的液體輸出通道口；則氣體在噴嘴的最窄點(diǎn)，即噴嘴口，同時(shí)也是收集通道的最窄點(diǎn)，具有最大的剪 切力，如圖5所示，隨后在擴(kuò)展形噴嘴處，產(chǎn)生一個(gè)速度遞減梯度，利于微泡
的聚焦及脫落；因此，利用噴嘴陣列可提高微泡的生產(chǎn)效率。
更具體地說，本發(fā)明部分例子中，采用了流動(dòng)聚焦原理(flow-focusing)產(chǎn) 生微泡，氣體在兩側(cè)液體的包被下處于同軸流動(dòng)中心位置，即中軸線，氣體由 高速運(yùn)動(dòng)的液體聚焦形成穩(wěn)定的錐體，并且與噴嘴口位置對(duì)齊，由于噴嘴口處 最窄，具有最大的剪切力，如圖5所示，隨后的擴(kuò)展形噴嘴產(chǎn)生一個(gè)速度梯度， 由錐頂端射出的微射流在噴嘴口處脫落，形成均一尺寸的微泡。
釆用上面的各個(gè)實(shí)施例，就可以將微流控大規(guī)模集成芯片用于超聲造影劑 的制備中，并且，上述各實(shí)施例所述集成芯片，還可以應(yīng)用在制備其他微型的 混和物中，例如，微液滴等等。
并且，采用上述任一實(shí)施例所述集成芯片，本發(fā)明還提供了一種裝置。該 裝置包括第一物質(zhì)輸入單元、第二物質(zhì)輸入單元、貯存單元和至少一如上述任 一實(shí)施例所述集成芯片，這些集成芯片形成至少一個(gè)集成芯片陣列。各集成芯 片的收集槽，分別與所述貯存單元相連接，用于收集和導(dǎo)出產(chǎn)物；所述第一物 質(zhì)輸入單元分別與各集成芯片的一層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接，用于輸入第一物 質(zhì)；所述第二物質(zhì)輸入單元分別從各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接， 用于輸入第二物質(zhì)。該裝置可用于制備微米級(jí)^L體，包括超聲造影劑或其他 微型混和物。
其中，所述第一物質(zhì)輸入單元與所述第二物質(zhì)輸入單元的組合，為氣體輸 入單元與液體輸入單元的組合；即所述第一物質(zhì)輸入單元為氣體輸入單元，所 述第二物質(zhì)輸入單元為液體輸入單元，或者，所述笫一物質(zhì)輸入單元為液體輸
入單元，所述第二物質(zhì)輸入單元為氣體輸入單元?；蛘撸龅谝晃镔|(zhì)輸入單 元與所述第二物質(zhì)輸入單元均為液體輸入單元。
例如，該裝置包括氣體輸入單元、液體輸入單元、貯存單元和至少一如上 述任一實(shí)施例所述集成芯片，這些集成芯片形成至少一個(gè)集成芯片陣列。或者 說，該裝置包括用于控制氣體、液體的流動(dòng)參數(shù)的儀表，以及用于氣體及液 體通過微噴嘴陣列的芯片，所述微噴嘴具有基本上一致的直徑。
例如，整個(gè)超聲造影劑制備裝置的框圖如圖1所示，氣體源輸出氣體，經(jīng) 流量計(jì)或壓力計(jì)控制流量，輸出到大規(guī)模微流控芯片中；液體源輸出液體，經(jīng)
19數(shù)控注射泵控制流量，輸出到大規(guī)模微流控芯片中；反應(yīng)生成產(chǎn)品，進(jìn)行產(chǎn)品 收集，例如通過產(chǎn)品收集設(shè)備進(jìn)行收集。例如，通過各集成芯片的收集槽，收 集和導(dǎo)出產(chǎn)物，這些收集槽分別與所述貯存單元相連接，將最終的產(chǎn)物導(dǎo)入到 所述貯存單元中；這樣可以有效地收集最終的產(chǎn)物。
一個(gè)例子是，所述氣體輸入單元分別與各集成芯片的一層結(jié)構(gòu)的各通道1 相連接，用于輸入氣體；所述液體輸入單元分別從各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu)的 各通道1相連4矣，用于輸入液體。
例如，所述氣體輸入單元分別與各集成芯片的第一層結(jié)構(gòu)的各通道1相連 接，所述液體輸入單元分別從各集成芯片的第二層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接；或 者，所述氣體輸入單元分別與各集成芯片的第二層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接，所 述液體輸入單元分別從各集成芯片的第一層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接。
一個(gè)例子是，所述氣體輸入單元包括順序連接的壓力儲(chǔ)氣罐、減壓閥、第 一傳輸管、微流量計(jì)、調(diào)壓閥和第二傳輸管，所述第二傳輸管分別與各集成芯 片的一層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接。
又一個(gè)例子是，所述液體輸入單元包括順序連接的儲(chǔ)液器、第三傳輸管、 數(shù)字控制式注射泵和第四傳輸管，所述第四傳輸管分別與各集成芯片的另一層 結(jié)構(gòu)的各通道l相連接。
一個(gè)優(yōu)選的例子是，所述裝置的各集成芯片中，各通道截面為矩形，其高 度為20^mi至30pm;通道M^黃截面的寬度為30|im至50|xm、通道N^黃截面的 寬度為50^im至lOOpm,或者，通道M橫截面的寬度為50pm至100nm、通道 N橫截面的寬度為3(Him至50pm;其中，所述收集通道的結(jié)構(gòu)至少包括以下結(jié) 構(gòu)其中之一外向放大的錐體、球體、半球體或錐臺(tái)體，其輸入端的管徑為7pm 至25pm，高度為20pim至30pm;或者，圓柱體或長方體，其沿對(duì)應(yīng)的特定通 道M輸出方向的截面積略小于該特定通道M沿該方向的截面積，高度為20(am 至30pm。所述集成芯片的基質(zhì)為硅、玻璃、聚二曱基硅氧烷、聚曱基丙烯酸甲 酯或聚碳酯。第一層結(jié)構(gòu)與第二層結(jié)構(gòu)的組合，為氣體通道結(jié)構(gòu)與液體通道結(jié) 構(gòu)的組合。Hl為l， H2至HN均為2; N為8， M為7,第一層結(jié)構(gòu)和第二層 結(jié)構(gòu)均在收集通道兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)初始通道，即2個(gè)氣體入口和2個(gè)液體入 口，則第一層結(jié)構(gòu)最終形成2個(gè)2的(M-l)次方，即128個(gè)通道出口，第二層 結(jié)構(gòu)最終形成2個(gè)2的(N-1)次方，即256個(gè)通道出口；該實(shí)例中，裝置的典型特征是集成了 128個(gè)擴(kuò)展形噴嘴腔體，氣體在噴嘴的最窄點(diǎn)，即收集通道的最
窄點(diǎn)，具有最大的剪切力，隨后的擴(kuò)展形噴嘴產(chǎn)生一個(gè)速度遞減梯度，利于微
泡的聚焦及脫落；噴嘴陣列可提高4敬泡的生產(chǎn)效率。
更具體地說，如圖l所示，氣體由壓力罐經(jīng)減壓閥輸送到芯片的氣體入口， 由微流量計(jì)、調(diào)壓閥監(jiān)控氣體的流動(dòng)，連續(xù)性的液體由數(shù)字控制式注射泵以恒 定的流速泵入液體入口 ，經(jīng)過微流控大規(guī)模集成芯片產(chǎn)生的微泡由特殊的貯存 瓶存儲(chǔ)，該貯存瓶為現(xiàn)有技術(shù)。
其中，微流控大規(guī)模集成芯片是利用微納米加工技術(shù)制作而成，例如，該 芯片具有上下兩層結(jié)構(gòu)。
更具體的一個(gè)例子是，該芯片底層結(jié)構(gòu)如圖2所示。通道由兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置 液體入口開始逐級(jí)擴(kuò)展，最終經(jīng)過8級(jí)梯度，共7級(jí)擴(kuò)展形成256個(gè)分支，即N 為8。每兩個(gè)屬于一個(gè)初始入口的分支作為微噴嘴的液體入口，這樣就形成128 個(gè)微噴嘴。圖2中點(diǎn)劃線指示的位置a'是一個(gè)微噴嘴的氣體入口 ，共128個(gè)氣體 入口，產(chǎn)生的微泡經(jīng)收集槽收集存儲(chǔ)。
該芯片頂層通道結(jié)構(gòu)如圖3所示，與底層結(jié)構(gòu)類似，通道由兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置 氣體入口開始逐級(jí)擴(kuò)展，有7個(gè)梯度，經(jīng)6級(jí)擴(kuò)展，即M為7，單個(gè)初始?xì)怏w 入口最終形成64個(gè)分支。因此，經(jīng)過擴(kuò)展總共形成了 128個(gè)分支，與底層相對(duì) 應(yīng)的氣128個(gè)氣體入口相通，如a與a'相通。
其中，可以將底層與頂層的結(jié)構(gòu)互換，如圖6所示，這是本發(fā)明中微流控 大規(guī)模集成芯片的替換形式，頂層為液體通道結(jié)構(gòu)，底層主要為氣體通道，底 層的兩個(gè)初始入口經(jīng)6級(jí)擴(kuò)展成128個(gè)分支，作為微噴嘴的氣體入口 。圖7為 圖6中虛線框所示部分一個(gè)微噴嘴的放大圖，與圖4的主要區(qū)別是兩個(gè)液體入 口與頂層液體通道相通。
如圖4所示，是圖2虛線所示部分的放大圖，為該集成芯片陣列中一個(gè)微 噴嘴的示意圖，微噴嘴是,敖泡形成的基本單元，其中，箭頭代表氣體、液體的 流動(dòng)方向， 一個(gè)氣體入口與頂層氣體通道相通，在大箭頭形狀的收集通道的最 窄處剪切力最大。收集通道入口的口徑在7jim-25|im范圍內(nèi)，通道高度為25ptm， 優(yōu)選的是與同一層結(jié)構(gòu)內(nèi)其他通道的高度一致，氣體入口寬度為30pm-50nm， 液體入口寬度為5(Vm-100pm,氣體在兩側(cè)高速流動(dòng)的液體聚焦作用下形成位于 中軸線位置的穩(wěn)定錐形，如圖5所示，并且與噴嘴口位置對(duì)齊，由于噴嘴口處最窄，具有最大的剪切力，隨后的擴(kuò)展形噴嘴產(chǎn)生一個(gè)速度梯度，由錐頂端射
出的微射流在噴嘴口處脫落，形成均一尺寸的微泡，微泡形成示意圖如圖5所 示，可以形象地看到流動(dòng)聚焦形成的錐形及微泡。
其中，如圖9所示，本裝置的微噴嘴形狀可以由形成速度梯度的其它幾何 形狀代替，如矩形結(jié)構(gòu)，只需能夠產(chǎn)生一個(gè)速度梯度，讓錐頂端射出的微射流 在噴嘴口處脫落即可。
需要說明的是，各圖中對(duì)于部分尺寸進(jìn)行放大，這是出于圖解說明的目的， 而沒有按照嚴(yán)格的比例進(jìn)行繪制。這些圖示的不嚴(yán)格繪制，對(duì)本發(fā)明各技術(shù)方 案和各實(shí)施例均不構(gòu)成任何額外限制。
采用上面的各個(gè)實(shí)施例，就可以大規(guī)模集成擴(kuò)展形微噴嘴陣列，通過在不 同的通道入口輸入氣體和液體，可以實(shí)現(xiàn)并且有利于微泡的大規(guī)模生產(chǎn)。釆用 各種不同的氣體和液體，從集成芯片的各組結(jié)構(gòu)的第一層結(jié)構(gòu)各通道1中輸入 氣體，本發(fā)明的裝置可用于制備多種類型的超聲造影劑微泡。
交換氣體、液體入口，即從集成芯片的各組結(jié)構(gòu)的第一層結(jié)構(gòu)各通道1中 輸入液體，可用于生成大量微液滴；或者，分別通入兩種不相容的液體，會(huì)生 成底層液體包裹上層液體的微液滴，非常適用于食品行業(yè)和化妝品行業(yè)。
其中，采用多個(gè)收集通道所形成的微噴嘴陣列，微噴嘴的數(shù)量可以增減， 對(duì)于一組結(jié)構(gòu)，最少有一個(gè)噴嘴，第一層結(jié)構(gòu)設(shè)置N級(jí)梯度時(shí)，通道的擴(kuò)展級(jí) 數(shù)為N-1,即比梯度數(shù)N少1。在只有一個(gè)初始入口的情況下，最后分支是2N -1個(gè)，噴嘴的個(gè)數(shù)一般是2N-2個(gè)。在有兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的初始入口的情況下， 噴嘴的個(gè)數(shù)一般為2N-l個(gè)。例如，N為8時(shí)，有8級(jí)梯度，擴(kuò)展了7級(jí)，每 級(jí)擴(kuò)展一倍，第一級(jí)梯度設(shè)置l個(gè)通道l，第八級(jí)梯度設(shè)置128個(gè)通道8，在只 有一個(gè)初始入口的情況下，對(duì)應(yīng)有64個(gè)噴嘴；在有兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的初始入口的 情況下，對(duì)應(yīng)有128個(gè)噴嘴。在易于控制流體流速、氣體壓力的前提下，噴嘴 個(gè)數(shù)越多越好。
并且，還提供了一種制備微米級(jí)分散體的方法，這些微米級(jí)分散體之間不 相溶；該方法應(yīng)用于一包括集成芯片陣列的裝置中，所述集成芯片陣列由至少 一如上述任一實(shí)施例所述集成芯片組成；所述裝置為上述任一實(shí)施例所述裝置。 所述方法包括以下步驟。
Al、按第一預(yù)設(shè)置條件，向各集成芯片的一層結(jié)構(gòu)的各通道1輸入第一物質(zhì)；按第二預(yù)設(shè)置條件，向各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu)的各通道l輸入第二物質(zhì)。 其中，第一物質(zhì)和第二物質(zhì)可以為不同的液體；或者，第一物質(zhì)可以為液體， 第二物質(zhì)可以為氣體；或者，第一物質(zhì)可以為氣體，第二物質(zhì)可以為液體。
一個(gè)例子是，步驟A1中，向各集成芯片的一層結(jié)構(gòu)的各通道l輸入氣體， 壓力低于10psi，壓力大于0即可，向各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu)的各通道l輸入 液體，流速低于3jiL/s，流速大于0即可；例如，輸入氣體的壓力低于5psi，輸 入液體的流速低于1.5|aL/s;又如，輸入氣體的壓力低于8psi，輸入液體的流速 低于2.5pL/s;又如，輸入氣體的壓力低于7.5psi，輸入液體的流速低于2.0pL/s; 又如，輸入氣體的壓力低于4psi,輸入液體的流速低于2.8(xL/s。這樣，就可以 制備均一的微泡，這些微泡可應(yīng)用于超聲造影劑中。
具體應(yīng)用中，所述氣體至少包括氮?dú)狻⒎碱悮怏w、氟硫類氣體其中之一； 所述液體至少包括磷脂類液體、表面活性劑類液體、上述液體的改性液其中之
為了保證微泡在體內(nèi)具有較長的存活時(shí)間，該裝置可使用的氣體材料主要 是在血漿中有低溶解度的氟碳、氟硫類氣體，如C3F8、 C4F10、 SF6等，也可 以是這些氣體成分之間的組合或者它們與氮?dú)獾慕M合如氮?dú)夂虲4F10、氮?dú)夂?C3F8的組合。
而制備液泡，即微泡，其殼材來自液體，這些液體主要包括磷脂類，如DPPC、 DPPA、 DPPE、 DSPC、 DSPE、 DSPA等；表面活性劑類，如Span20、 Span60、 Span 80等，Tween20、 Tween 60、 Tween80等，以及磷脂類的組合、表面活性 劑類的組合、或者磷脂類與表面活性劑類的組合；這些材料既能顯著降低氣液 界面的表面張力，又具有良好的生物相容性和血液相容性。
或者，制備液泡的殼材是在上述殼材的基礎(chǔ)上進(jìn)行改性得到的具有特殊功 能的材料，包括DSPE-PEG2000、 DSPE-PEG5000、 DSPE-PEG(2000) Biotin、 DSPE-PEG(2000) Carboxylic Acid等等。磷脂的疏水性長鏈和親水性極性頭的分 子結(jié)構(gòu)使其在水性環(huán)境中能夠自行調(diào)整其分子結(jié)構(gòu)，疏水性鏈緊密排列在一起， 而親水性頭暴露于水相，最終形成嚢泡狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠阻礙氣體擴(kuò)散出 形成的微泡，親水性的外殼使其具有優(yōu)良的生物相容性。同時(shí)，不同的極性頭 可以使磷脂具有不同的荷電性，通過調(diào)整這些荷電磷脂的成分和比例，可以調(diào) 整磷脂微泡的穩(wěn)定性。含有PEG長鏈的磷脂，如DSPE-PEG2000，具有抵抗其
23在體內(nèi)循環(huán)時(shí)被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)捕獲的能力，延長在體內(nèi)的循環(huán)的時(shí)間。含有
Biotin配體的磷脂，如DSPE-PEG(2000)Biotin，具有識(shí)別抗體avidin能力，因此
具有靶向功能。這樣，通過不同的磷脂組分之間進(jìn)行組合，并調(diào)整各組分的比 例，就可以得到不同功能和作用的微氣泡。
A2、調(diào)節(jié)第一物質(zhì)和/或第二物質(zhì)的輸入條件，使各個(gè)第一層結(jié)構(gòu)的各通道 M輸出的物質(zhì)以同軸流動(dòng)形式，由對(duì)應(yīng)的各特定通道N的物質(zhì)按軸向包裹通道 M輸出的物質(zhì)，分別形成待收集產(chǎn)物流，其軸向與所述垂線重合。
例如，步驟A2中，單獨(dú)調(diào)節(jié)不同氣體或不同液體的輸入條件，或者單獨(dú)調(diào) 節(jié)氣體或液體的輸入條件，或者同時(shí)調(diào)節(jié)氣體和液體的輸入條件，使各個(gè)第一 層結(jié)構(gòu)的各通道M輸出的物質(zhì)以同軸流動(dòng)形式，由對(duì)應(yīng)的各特定通道N的物質(zhì) 按軸向進(jìn)行包裹對(duì)應(yīng)通道M輸出的物質(zhì)，分別形成待收集產(chǎn)物流，其軸向與所 述垂線重合；例如，分別形成一倒錐體的待收集產(chǎn)物流，其軸向與所述垂線重 合。
A3、從各收集通道的輸出端收集和導(dǎo)出產(chǎn)物。
例如，向各集成芯片的第一層結(jié)構(gòu)的各通道1輸入氣體，向各集成芯片的 第二層結(jié)構(gòu)的各通道1輸入液體；這樣，可以得到一種通過氣體由兩側(cè)液體流
動(dòng)聚焦在噴嘴處形成微泡的方法，形成高度單分散的微泡，適合于超聲造影成 像技術(shù)?；蛘撸蚋骷尚酒牡谝粚咏Y(jié)構(gòu)的各通道1輸入液體，向各集成芯 片的第二層結(jié)構(gòu)的各通道1輸入氣體；這樣，可以得到一種通過液體由兩側(cè)氣 體流動(dòng)聚焦在噴嘴處形成微液滴的方法。
同上所述， 一個(gè)優(yōu)選的例子是，所述集成芯片，Hl為1， H2至HN均為2， N為9， M為8。其具有128個(gè)通道M，每個(gè)通道M對(duì)應(yīng)著兩個(gè)通道N，共有 128個(gè)輸出端；例如通道M1對(duì)應(yīng)著通道Nll和通道N12，通道Nll和通道N12 的輸出方向相對(duì)，并位于同一直線上；通道Nll的出口到通道M1的出口的距 離、與通道N12的出口到通道M1的出口的距離相同。
另一個(gè)例子是，步驟A1中，向各集成芯片的第一層結(jié)構(gòu)的各通道l輸入氣 體，向各集成芯片的第二層結(jié)構(gòu)的各通道l輸入液體；步驟A2中，使各個(gè)第一 層結(jié)構(gòu)的各通道M輸出的氣體以同軸流動(dòng)形式，由各個(gè)第二層結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)某一 通道M的各通道N，所流出的液體按軸向包裹對(duì)應(yīng)該通道M的氣體，分別形成 待收集微球流。其中，同軸流動(dòng)形式已如前述。在上例的基礎(chǔ)之上，步驟A2中，各個(gè)第一層結(jié)構(gòu)的各通道M輸出的氣體，分別在兩側(cè)高速流動(dòng)的液體聚焦作用下形成中軸線位于所述垂線位置的穩(wěn)定倒錐體，各倒錐體的尖端分別與各收集通道位置相對(duì)。
又一個(gè)例子是，步驟A1中，向各集成芯片的第一層結(jié)構(gòu)的各通道l輸入第一液體，向各集成芯片的第二層結(jié)構(gòu)的各通道1輸入氣體或第二液體；步驟A2中，使各個(gè)第一層結(jié)構(gòu)的各通道M輸出的第一液體以同軸流動(dòng)形式，被氣體或第二液體按軸向包裹，分別形成待收集微液滴流；例如分別形成一倒錐體的待收集孩i液滴流。
在上述各例中，步驟A1中，所述液體可以預(yù)先加入特異性配體；或者，步驟A3之后，向所述產(chǎn)物加入特異性配體。這樣，可以根據(jù)需要，加入不同的特異性配體，從而制備出靶向超聲造影劑。
下面繼續(xù)對(duì)集成芯片、裝置和方法，尤其是制備超聲造影劑的方法，做出詳細(xì)說明。
在超聲造影成像技術(shù)中，微泡造影劑的尺寸影響它通過肺部微循環(huán)的能力及對(duì)超聲的反射率，直徑必須小于7^m才可以安全通過肺部微動(dòng)脈而不引起堵塞，其中，超聲的散射強(qiáng)度、入射強(qiáng)度具有以下關(guān)系公式(1):
其中，/、 7。分別是超聲的散射強(qiáng)度、入射強(qiáng)度；n是散射粒子數(shù)；V是散射體積；k是波數(shù)；r是粒子半徑，即微泡半徑；^是壓縮項(xiàng)(、^分別是散射粒子的壓縮率和介質(zhì)的壓縮率，公知技術(shù))；^是密度項(xiàng)(&=(3A-3P )/(2A + Al)， A、 ^分別是散射粒子和介質(zhì)的密度，公知技術(shù))；
^是散射角；d是到散射粒子的距離。由公式(l)可以看出，微泡的散射率是微泡半徑六次方的函數(shù)，即，超聲造影劑微泡的散射強(qiáng)度與氣泡半徑六次方成正比，說明微泡越小，反射率越差，所以微泡的最佳直徑尺寸不能太小。因此，臨床應(yīng)用要求微泡的最佳直徑尺寸在2pm至5)am之間。
由微流控聚焦系統(tǒng)產(chǎn)生的微泡直徑主要與氣體、液體的流動(dòng)速率有關(guān)，表面張力的影響較小，可以忽略，如以下公式(2)所示其中，&、 Q分別是氣體、液體的流動(dòng)速率；D是噴嘴口直徑；&/0<1。利用調(diào)壓閥調(diào)整氣體壓力，設(shè)置注射泵流速參數(shù)控制液體的流動(dòng)速率，一般情況下氣體壓力P<5psi (Pounds per square inch, lpsi=6.895kPa),液體流速
Q<1.5pL/s,可以得到直徑《<5^"的微泡，微泡粒徑的多分散性指數(shù)<2%。
為了證實(shí)本發(fā)明裝置制備的微泡的粒徑及生產(chǎn)效率，采用上述一集成芯片
進(jìn)行了以下實(shí)-驗(yàn)，其在每一層結(jié)構(gòu)為對(duì)稱兩個(gè)初始入口， Hl為l， H2至HN均
為2， N為8， M為7,第一層結(jié)構(gòu)有128個(gè)M通道，第二層結(jié)構(gòu)有256個(gè)N
通道；其集成了 128個(gè)擴(kuò)展形噴嘴腔體，第一層結(jié)構(gòu)通入氣體，在噴嘴的最窄
點(diǎn)輸出，如圖4、圖5所示。具體說明如下。
實(shí)驗(yàn)一
氣體采用氮?dú)?，液體采用如下配制PH-7.4的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)8ml，吐溫80 ( Tween80) lml配制成均勻的混合物，調(diào)節(jié)氣體壓力為1.8psi，液體流動(dòng)速率2.0//^1,可獲得微泡直徑約為3.6nm,每分鐘大約可以產(chǎn)生7x 109個(gè)微泡。如圖8所示，是在奧林巴斯倒置顯微鏡下拍到的產(chǎn)生的微泡的圖片，可以看出微泡粒徑分布具有高度單分散性，粒徑分布比較均勻，外殼厚度員比較均勻。
實(shí)驗(yàn)二在實(shí)-驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，液體流動(dòng)速率不變，增加氣體壓力至4.5psi，獲得微泡直徑約為6|xm,從顯微鏡得到的結(jié)果來看，粒徑分布同樣比較均勻，比較實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二，可以得到改變氣體壓力可靈活控制微泡粒徑的大??；同理，當(dāng)然也可改變液體流速，可達(dá)到相同的效果。
實(shí)驗(yàn)三在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，氣體壓力不變，增加液體流速至2/^"_',獲得微泡直徑約為3pm，粒徑分布同樣比較均勻，比較實(shí)驗(yàn)二與實(shí)驗(yàn)三，可以得到可改變液體流速可靈活控制微泡粒徑的大小。
實(shí)驗(yàn)四氣體采用全氟碳(PFC),液體采用如下方法配制脂質(zhì)二棕櫚酸磷脂酰膽堿(DPPC)、 二棕櫚磷脂酸聚乙二醇(DPPA)、 5000化二棕櫚酸磷脂酰乙醇胺(DPPE-PEG5000)以81:8:10的摩爾比，溶解在氯仿(CHC13)中，在真空及氮?dú)鈼l件下形成均勻的混合物，加入lmol。/。的熒光劑(Dil-C18)和4mg/ml的NaCl溶液到含有磷脂混合物的試管中，室溫下超聲處理20分鐘并混入10%濃度的丙三醇和l、 2丙二醇的混合物(GPW)，氣體壓力10psi,液體流動(dòng)速率1,通過上述芯片可獲得微泡直徑5nm，每分鐘大約可以產(chǎn)生8 x 109個(gè)微泡。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
最顯著的優(yōu)點(diǎn)是制作的超聲造影劑微泡具有高度單分散性和粒徑可控性， 滿足超聲造影成像技術(shù)的要求。微泡粒徑的多分散性指數(shù)<2%，粒徑隨著氣體壓 力的增加而變大，隨著液體流速的增加而減小，控制非常靈活。并且，通過釆
用微噴嘴陣列，大大提高了微泡的制備效率；同時(shí)，該裝置具有重復(fù)使用性， 降低了生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的裝置可用于制備多種類型的超聲造影劑微泡，制備的微泡外殼厚 度均勻。
常規(guī)的超聲造影劑可直接用該裝置制備，如脂類、白蛋白類、多聚體類、 表面活性劑類等；如上所述，靶向超聲造影劑的制備，有兩種選擇， 一種是目 前最常用的在常規(guī)超聲造影劑制備完成后加入特異性配體，另行制備；另一 種是在造影劑制備完成前的制備液中預(yù)先加入特異性配體，在形成造影劑微泡 的同時(shí)特異性配體就會(huì)鑲嵌到微泡的殼上，有些殼材如蛋白分子在高溫和超聲 條件下失活，所以這種方法是以往聲振法所不能的。該發(fā)明裝置對(duì)這兩種方法 都適用，特別是當(dāng)釆用后一種選擇時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)，不僅減少了制備環(huán)節(jié)，還減 少了制備環(huán)節(jié)微泡的破壞。
并且，本發(fā)明裝置和方法在造影劑制備過程中產(chǎn)熱少，因此尤其適合用于 制備兼藥物或基因靶向載體的超聲造影劑。造影劑微泡攜帶基因或藥物的方式 分兩種縣附法和整合法，其中整合法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，原因在于黏附法僅 僅通過簡單的混合將藥物或基因凝附在造影劑微泡的表面， 一方面結(jié)合量少， 另一方面翻附的藥物或基因與微泡結(jié)合不牢固，經(jīng)靜脈注射后，在血流沖擊下 很容易脫落，靶向性差；而整合法既可以將藥物或基因黏附在微泡表面，更可 將其整合在微泡膜上或包裹在微泡內(nèi)，在使結(jié)合量增加的同時(shí)，又使靶向性更 好。通常采用聲振法時(shí)，在制備過程中產(chǎn)生較高的溫度，在制備時(shí)不能同時(shí)加 入藥物或基因，只能采用黏附法制備，本發(fā)明裝置在制備過程中產(chǎn)熱少，因此 可采用整合法制備兼藥物或基因靶向載體的超聲造影劑。
本超聲造影劑制備簡便、效果好且安全，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，如 上所述，本發(fā)明還可用于制備微液滴。
針對(duì)一個(gè)氣體入口、兩個(gè)液體入口構(gòu)成的最簡單的微泡制備單元，其生產(chǎn)速率約為107個(gè)/分鐘，本專利中所述大規(guī)模微流控芯片可顯著提高產(chǎn)率，如集成128個(gè)微泡制備單元，則其產(chǎn)率可提高到109個(gè)/分鐘，此外，與已有的商品化超聲造影劑相比，如美國食品及藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)臨床使用的一種超聲造影劑Difinity，其產(chǎn)率約為109/45秒，本專利所述大規(guī)才莫微流控芯片的產(chǎn)率可與其相媲美，更重要的是，Difinity造影劑的粒徑分布具有多M性，粒徑分布較寬，平均直徑在1.81im左右，直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.5pm，但是最大的微泡直徑竟達(dá)到20pm，從而導(dǎo)致微泡的共振頻率范圍較大，而現(xiàn)在的超聲成像系統(tǒng)的帶寬限制只能探測(cè)到很窄的共振頻率范圍，所以大約只有18%的微泡信號(hào)可檢測(cè)到，換言之，82%的微泡不起作用而浪費(fèi)掉，減少了成像系統(tǒng)的靈敏性，本專利所述裝置制備的造影劑具有很高的單分散性，具有有效信號(hào)的微泡比例高于92%,可提高超聲造影成像技術(shù)的靈敏度，特別是在超聲分子影像技術(shù)中，靶向造影劑的黏附率約為每平方毫米5-25個(gè)，微泡的單*性對(duì)提高成像靈敏度顯得尤為重要，因此，在這個(gè)意義上講，本專利所述裝置制備的造影劑在大規(guī)?；a(chǎn)方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，臨床應(yīng)用價(jià)值非常高。
應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種集成芯片，其特征在于，以兩層相鄰結(jié)構(gòu)為一組結(jié)構(gòu)，所述集成芯片包括至少一組結(jié)構(gòu)；在一組結(jié)構(gòu)中，第一層結(jié)構(gòu)設(shè)置M級(jí)梯度，第二層結(jié)構(gòu)設(shè)置N級(jí)梯度；其中，M、N是自然數(shù)，M小于N；各級(jí)梯度中，第一級(jí)梯度設(shè)置H1個(gè)通道1，第二級(jí)梯度從每個(gè)通道1中引出H2個(gè)分支，形成H1×H2個(gè)通道2，以此類推，第N級(jí)梯度從每個(gè)通道(N-1)中引出HN個(gè)分支，形成H1×H2… … ×HN個(gè)通道N；在一組結(jié)構(gòu)中，對(duì)于第一層結(jié)構(gòu)的任一特定通道M，均對(duì)應(yīng)于第二層結(jié)構(gòu)從一通道M所引出的在第N級(jí)梯度形成H(M+1)×H(M+2)… … ×H(N-1)×HN數(shù)量的特定通道N；其中，各特定通道N的出口，等距分布在一預(yù)設(shè)置半徑圓形的圓周；對(duì)于該特定通道M，其輸出方向垂直于該圓形，其出口與該圓形的垂線通過該圓形的圓心，該特定通道M的出口與該圓心距離一特定長度；各特定通道N的輸出方向與所述垂線的夾角為相同銳角；沿該特定通道M的輸出方向，在該圓形遠(yuǎn)離該特定通道M的一側(cè)，設(shè)置一收集通道；所述集成芯片還包括至少一與各收集通道的輸出端相連接的收集槽，用于收集和導(dǎo)出產(chǎn)物。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述集成芯片，其特征在于，M=N-1。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述集成芯片，其特征在于，各特定通道N的輸出方向 通過該圓形圓心。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述集成芯片，其特征在于，通道M和通道N的橫截 面為矩形；所述矩形高度為20|im至30(xm、寬度分別為30nm至50(xm、 50(im 至lOOjmi,或者，分別為50lam至100pm、 30(xm至50nm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述集成芯片，其特征在于，所述收集通道的結(jié)構(gòu)至少 包括以下結(jié)構(gòu)其中之一外向放大的錐體、球體、半球體或錐臺(tái)體，其輸入端 的管徑為7pm至25,,高度為20pm至3(Him;或者，圓柱體或長方體，其沿 對(duì)應(yīng)的特定通道M輸出方向的截面積略小于該特定通道M沿該方向的截面積， 高度為20[om至30jim。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述集成芯片，其特征在于，其基質(zhì)為表面親水性基質(zhì)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述集成芯片，其特征在于，其基質(zhì)為硅、玻璃、聚二 曱基硅氧烷、聚曱基丙烯酸甲酯或聚碳酯。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述集成芯片，其特征在于，第一層結(jié)構(gòu)與第二層結(jié)構(gòu) 的組合，為氣體通道結(jié)構(gòu)與液體通道結(jié)構(gòu)的組合。
9、 一種裝置，其特征在于，包括第一物質(zhì)輸入單元、第二物質(zhì)輸入單元、 至少一如權(quán)利要求1至權(quán)利要求8任一所述集成芯片形成集成芯片陣列、貯存單元；各集成芯片的收集槽，分別與所述貯存單元相連接，用于收集和導(dǎo)出產(chǎn)物； 所述第一物質(zhì)輸入單元分別與各集成芯片的一層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接，用于輸入第一物質(zhì)；所述第二物質(zhì)輸入單元分別從各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接，用于輸入第二物質(zhì)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述裝置，其特征在于，所述第一物質(zhì)輸入單元與所 述第二物質(zhì)輸入單元的組合，為氣體輸入單元與液體輸入單元的組合；或者， 所述第 一物質(zhì)輸入單元與所述第二物質(zhì)輸入單元均為液體輸入單元。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述裝置，其特征在于，所述氣體輸入單元包括順序 連接的壓力儲(chǔ)氣罐、減壓閥、第一傳輸管、微流量計(jì)、調(diào)壓閥和第二傳輸管， 所述第二傳輸管分別與各集成芯片的一層結(jié)構(gòu)的各通道1相連接；所述液體輸入單元包括順序連接的儲(chǔ)液器、第三傳輸管、數(shù)字控制式注射 泵和第四傳輸管，所述第四傳輸管分別與各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu)的各通道1 相連接。
12、 一種制備微米級(jí)分散體的方法，其特征在于，應(yīng)用于一包括集成芯片 陣列的裝置中，所述集成芯片陣列由至少一如權(quán)利要求1至權(quán)利要求8任一所 述集成芯片組成；所述方法包括以下步驟Al、按第一預(yù)設(shè)置條件，向各集成芯片的一層結(jié)構(gòu)的各通道1輸入第一物 質(zhì)；按第二預(yù)設(shè)置條件，向各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu)的各通道l輸入第二物質(zhì)；A2、調(diào)節(jié)笫一物質(zhì)和/或第二物質(zhì)的輸入條件，使各個(gè)第一層結(jié)構(gòu)的各通道 M輸出的物質(zhì)以同軸流動(dòng)形式，由對(duì)應(yīng)的各特定通道N的物質(zhì)按軸向進(jìn)行包裹，分別形成待收集產(chǎn)物流，其軸向與所述垂線重合； A3、從各收集通道的輸出端收集和導(dǎo)出產(chǎn)物。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述方法，其特征在于，所述第一物質(zhì)與所述第二物 質(zhì)的組合，為氣體與液體的組合；所述氣體至少包括氮?dú)?、氟碳類氣體、氟石克 類氣體其中之一；所述液體至少包括磷脂類液體、表面活性劑類液體、上述液 體的改性液其中之一。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12所述方法，其特征在于，步驟A1中，向各集成芯片 的第一層結(jié)構(gòu)的各通道1輸入第一液體，向各集成芯片的第二層結(jié)構(gòu)的各通道1 輸入氣體或第二液體；步驟A2中，使各個(gè)第一層結(jié)構(gòu)的各通道M輸出的第一液體以同軸流動(dòng)形 式，由氣體或第二液體按軸向包裹所述第 一液體，分別形成待收集微液滴流。
15、 根據(jù)權(quán)利要求12所述方法，其特征在于，步驟A1中，向各集成芯片 的一層結(jié)構(gòu)的各通道1輸入氣體，壓力低于10psi,向各集成芯片的另一層結(jié)構(gòu) 的各通道1輸入液體，流速低于3pL/s;步驟A2中，調(diào)節(jié)氣體和/或液體的輸入 條件。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述方法，其特征在于，步驟A1中，輸入氣體的壓 力低于5psi，輸入液體的流速低于1.5^iL/s。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15所述方法，其特征在于，步驟A1中，所述液體預(yù)先 加入特異性配體；或者，步驟A3之后，向所述產(chǎn)物加入特異性配體。
18、 根據(jù)權(quán)利要求15所述方法，其特征在于，步驟A1中，向各集成芯片 的第一層結(jié)構(gòu)的各通道1輸入氣體，向各集成芯片的第二層結(jié)構(gòu)的各通道1輸 入液體；步驟A2中，調(diào)節(jié)氣體和/或液體的輸入條件，使各個(gè)第一層結(jié)構(gòu)的各通道 M輸出的氣體以同軸流動(dòng)形式，按軸向包裹液體，分別形成待收集微球流。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述方法，其特征在于，步驟A2中，各個(gè)第一層結(jié) 構(gòu)的各通道M輸出的氣體，分別在兩側(cè)高速流動(dòng)的液體聚焦作用下形成中軸線 位于所述垂線位置的穩(wěn)定倒錐體，各倒錐體的尖端分別與各收集通道位置相對(duì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成芯片、一種采用該芯片的裝置和一種制備微米級(jí)分散體的方法，該集成芯片的基質(zhì)為表面親水性基質(zhì)；以兩層相鄰結(jié)構(gòu)為一組結(jié)構(gòu)，集成芯片包括至少一組結(jié)構(gòu)；在一組結(jié)構(gòu)中，第一層結(jié)構(gòu)設(shè)置M級(jí)梯度，第二層結(jié)構(gòu)設(shè)置N級(jí)梯度；M、N是自然數(shù)，M小于N；各級(jí)梯度中，第一級(jí)梯度設(shè)置H1個(gè)通道1，第二級(jí)梯度從每個(gè)通道1中引出H2個(gè)分支，形成H1×H2個(gè)通道2，以此類推，第N級(jí)梯度從每個(gè)通道(N-1)中引出HN個(gè)分支，形成H1×H2……×HN個(gè)通道N。在遠(yuǎn)離各通道M的一側(cè)，分別設(shè)置一收集通道；集成芯片還包括至少一與各收集通道的輸出端相連接的收集槽，用于收集和導(dǎo)出產(chǎn)物。本發(fā)明的產(chǎn)率非常高，在大規(guī)?；a(chǎn)造影劑方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)B01F3/04GK101474541SQ200810241260
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者姜春香, 王戰(zhàn)會(huì), 鄭海榮, 靳巧峰 申請(qǐng)人:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院