基于玻璃的设备，用于产生液滴和乳液
April 5th, 2022
在这里，提出了一种制造玻璃基微流体器件的协议，用于生产具有受控液滴尺寸的高单分散乳液。
该协议详细描述了如何制造基于玻璃的微流体器件。遵循此协议将允许任何没有经验的人构建和使用这些设备。对于玻璃，我们可以很容易地使表面具有疏水性或亲水性，从而使玻璃基器件具有吸引力，以产生稳定的乳液滴。
滴剂和乳液在化妆品、食品工业和药物输送等各个领域都有多种应用。在这份手稿中，我们进一步强调了它们在集约化农业中的应用。我们建议在每一步都要有耐心。
还要检查尖端是否干净且未破损。不要等到设备完成才检查这些。要制作简单的滴剂，请使用用显微镜载玻片制成的玻璃底座来构建设备。
对于尖端，使用一毫米直径的圆形玻璃毛细管。接下来，使用20号注射器针头，以便于将液体引入毛细管。使用剃须刀片或手术刀，在针的底部雕刻一个与毛细管外径大小相等的孔。
用水冲洗针头以去除切割中的任何灰尘和纤维，并使针头风干。要组装设备，通过将毛细管的尖端放在显微镜载玻片末端外一到两厘米处，并在毛细管中心添加一点环氧树脂，使其不会干扰视野或注射器针头，将圆形毛细管粘合到显微镜载玻片上。接下来，放置注射器针头，使毛细管的末端位于针头的中心，并在针头底部的边缘周围放置少量硬化的环氧树脂。
几分钟后，涂上第二层新鲜的环氧树脂，覆盖针头的底部并避免孔洞。然后，用硬化的环氧树脂覆盖孔，以防止环氧树脂在针内流动。要产生液滴，请使用夹具将设备垂直放置，使尖端像厨房水龙头一样朝下。
使用注射泵或压力驱动装置将液体泵入设备。对于乳液滴剂，使用五厘米长的方形毛细管作为外部液体，使用直径为一毫米的圆形毛细管。确保圆形毛细管的长度比方形毛细管长几厘米。
将圆形毛细管的外径与方形毛细管的内径相匹配，以确保两个毛细管同轴对齐。接下来，组装设备，通过将毛细管的尖端放在显微镜载玻片末端外一到两厘米处并在毛细管中心涂上一点环氧树脂，将方形毛细管粘合到显微镜载玻片上。等到环氧树脂完全固化。
然后，将圆形毛细管引入方形毛细管中，使得载玻片上的圆形毛细管末端距离方形毛细管末端几厘米。位于方形毛细管内的圆形毛细管的另一端应与圆形毛细管距方形毛细管末端的直径大致相等。在圆形毛细管末端和方形毛细管开始之间的中间距离处使用一滴环氧树脂粘合圆形毛细管，并等待环氧树脂完全固化。
要将毛细管容纳在针座中，请在圆帽的基部雕刻一个孔，该孔与毛细管外径的大小相同。然后，为了将另一根针放在方形毛细管的末端，在针的底部雕刻一个圆形和一个方形孔以容纳关节。切割后，用水冲洗针头，让它们风干。
然后如前所述粘合它们。要构建微流体装置，请切割两小块载玻片并使用环氧树脂将它们粘合到两张显微镜载玻片上以保持载玻片在一起。等到环氧树脂完全固化。
使用钻石划线器将方形毛细管切割成约四厘米的长度。使用内侧与圆形毛细管外径匹配的方形毛细管，使毛细管同轴对齐。对于此方案，请使用两毫米侧毛细管。
然后，使用移液器拉动机，拉动圆形毛细管以获得两个具有薄尖端的半毛细管。接下来，使用微型锻造，将其中一个半毛细管的尖端切割成所需的直径。要将另一半用作收集器毛细管，请切开拉出的尖端，以便恢复原始的平端。
将方形毛细管粘在载玻片上。不要将毛细管放在载玻片的中间，因为载玻片的关节不应位于观察区域。然后，将尖端和收集器毛细管放在方形毛细管内，相距约两毫米。
要避免接合，请将尖端和收集器毛细管的末端放在同一侧。要制造与毛细血管开口端的连接，请放置四根针覆盖这些末端，并如前所述粘合针头。要测试设备的泄漏，请使用由粘合剂夹固定的弯曲管片关闭两个针。
然后，使用注射器，使用最后一个针头作为出口，通过其中一个针头手动将去离子水泵入设备中。如果没有观察到泄漏，则通过下一个针头泵送水，重复所有四个针的过程。如果发现泄漏，请彻底干燥设备，应用环氧树脂，等待一小时，然后再进行测试。
确认无泄漏后，用实验液填充设备并去除气泡。然后将内液或分散相注射器连接到针头一，外液或连续相连接针二，并将收集液或对电极连接到针头四。针三是出口。
最后，将电源连接到为内部和收集液送入的针头，以设置吸头和收集液之间的电位差。在这项研究中，使用580微米的尖端产生了大约3.3毫米的硅油滴。使用86微米的尖端产生了1.75毫米的液滴。
此外，在滴灌，锥形射流和鞭打模式下使用电助流装置产生乳液滴。在这些结果中，相同的液体被用作内部和收集液体。但是，如果实验目标是收集这些液滴，则应使用不同的导电液体作为收集器。
要有耐心，等到环氧树脂固化。如果它变湿了，它永远不会变干，您将需要再次开始整个过程。在一个方案系列中，使用流动焦点的组合可以生成多个乳液。
每个额外的方案都会在运动下降中添加一个外壳。也可以使用流聚焦部分。
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概述
本协议描述了如何制造基于玻璃的微流控装置，用于生成具有可控液滴大小的稳定乳液。该方法对于那些没有先前经验的人来说也是可行的，强调了玻璃在创造疏水或亲水表面方面的多功能性。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 乳化技术
- 材料科学
背景
- 基于玻璃的装置可以针对各种应用进行定制。
- 疏水和亲水表面处理可以提高功能性。
- 乳化在化妆品和食品等行业中有重要用途。
- 集约化农业受益于这些乳化的应用。
研究目的
- 提供详细的微流控装置构建协议。
- 展示单分散乳液的生成。
- 强调在农业和其他领域的潜在应用。
使用的方法
- 制造玻璃微流控装置。
- 表面处理以实现所需的疏水性或亲水性。
- 生成具有可控液滴大小的乳液。
- 在各种工业环境中应用这些装置。
主要结果
- 成功制造出能够产生稳定乳液的装置。
- 展示了可控液滴大小的生成。
- 突出了在多个行业中的多功能应用。
- 该协议对没有先前经验的用户来说是可访问的。
结论
- 该协议能够创建有效的微流控装置。
- 基于玻璃的装置对于乳化生成是有利的。
- 在农业和其他领域具有广泛应用的潜力。
常见问题
Executive Industry Relevance
Glass-based microfluidic devices enable precise control over emulsion drop size and stability, supporting reproducible formulation development in pharmaceutical and biotechnology R&D. The method provides a scalable platform for generating monodisperse emulsions applicable to drug delivery systems, reducing variability in preclinical formulation screening. By allowing surface modification and multi-fluid coflow configurations, the technology supports mechanistic de-risking in early-stage formulation design.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of formulation hypotheses through controlled drop generation for solubility and bioavailability studies.
- Operational Value: Supports rapid prototyping of emulsion-based delivery systems with tunable physicochemical properties.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces highly monodisperse drops for standardized high-throughput screening of encapsulation efficiency and release kinetics.
- Operational Value: Ensures assay reproducibility through precise fluidic control and leak-tested device fabrication.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates generation of emulsion drops with defined size distributions for in vivo pharmacokinetic and biodistribution modeling.
- Operational Value: Enables seamless transition from discovery to preclinical validation via reusable, standardized microfluidic platforms.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by providing a reliable means to generate formulation-ready emulsions prior to lead optimization and preclinical testing.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how emulsion morphology affects cellular uptake and target engagement.
- Screening: Delivers quantitative drop size outputs critical for comparing formulation performance across compound libraries.
- Analytics: Enables measurement of drop size and stability as key readouts for formulation screening and downselection.
- Translational Research: Connects early emulsion design to preclinical continuity through scalable, reproducible particle generation.
- Enterprise Reuse: Positions glass microfluidics as a reusable platform technology across multiple formulation projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in formulation behavior by reducing variability in emulsion drop size and stability.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility across R&D sites through well-documented, leak-tested fabrication protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions in formulation development by enabling early identification of unstable or ineffective emulsion candidates.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by providing data-driven insights into formulation feasibility and scalability.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device assembly, epoxy handling, and capillary alignment.
- Depends on access to syringe pumps, pressure-driven flow systems, and leak-testing apparatus.
- Necessitates cross-team standardization of surface treatment protocols for consistent hydrophobicity/hydrophilicity.
- Involves adaptation considerations when scaling from simple gravity-driven to electro-coflow configurations for complex emulsions.
- Includes practical limitations such as bubble formation during filling and epoxy curing time affecting throughput.
