Sunny 芯片选型指南:5 种混合几何结构怎么选

Sunny 芯片选型指南:5 种混合几何结构,哪种适合你的配方

同一个 SM-102 LNP 配方在全系列 Sunny 上做流速筛选,Trident(HFF)、5-Input(3D 聚焦)、X、T 和 Micromixer 的粒径-流速曲线各不相同。这些几何结构覆盖两种基本混合模式:层流(HFF)和诱导类湍流(induced chaotic flow)。所以按配方类型、目标粒径和工艺阶段,可以直接从曲线上挑芯片。

快速混合 → 小颗粒,均匀混合 → 窄分布

LNP 在有机溶剂和水相混合的过程中自组装。可电离脂质先和带负电的核酸通过静电作用形成核心。随着溶剂极性增大(水相比例上升),其余脂质通过疏水作用在核心外层包裹。混合越快,颗粒生长的时间越短,粒径越小;混合越均匀,粒径分布越窄。流速增大,混合时间缩短,粒径通常随之下降。

LNP 在混合过程中的自组装:溶剂极性从低(乙醇)到高(水),脂质依次组装成核心→双分子层→完整颗粒。混合时间越短,颗粒越小。

混合速度与颗粒形成:快速混合(左)在到达临界浓度前就完成混合,颗粒小且均一;慢速混合(右)浓度先局部超标再扩散,颗粒大且不均匀。

SM-102 LNP 粒径随 TFR 变化的总趋势:流速越高,粒径越小。数据来自全系列 Sunny 芯片。

层流混合(HFF):两股流体以平滑、可预测的方式层层滑过,混合靠扩散驱动。HFF 用两侧的水相流挤压中心的有机相,缩短扩散距离来加速混合。压缩后的流束宽度(wf)由通道尺寸和流速决定。层流条件下压力低、控制精细,粒径和 PDI 都高度可控。

类湍流混合(induced chaotic flow):微流控芯片的通道很小,真正的湍流条件(高 Reynolds 数)很难达到。Sunny 通过通道分裂、膨胀等几何设计,诱导类似湍流的横向混合效果。流体被涡流反复搅动,混合速度极快。代价是对粒径的精细控制不如层流。

左:层流(HFF),流体平行流过,混合靠扩散,低压可控。右:类湍流(induced chaotic flow),通道几何结构引起涡流和横向混合。

Sunny 490 Trident T:层流 HFF,宽通道低背压

490 Trident T 采用 HFF 层流混合。通道宽 500 µm、深 490 µm,流速和背压都低,还内置稀释通道。粒径随 TFR 稳定下降,说明整个流速范围内一直保持层流,最高流速下粒径最小。宽通道和低背压让它适合长时间的高通量筛选,每个条件下的粒径都可预测。

Sunny 490 Trident T 流速筛选:粒径从 ~140 nm(2 mL/min)稳定下降到 ~85 nm(12 mL/min),PDI 始终低。层流特征明显。

Sunny 490 Trident T 芯片外观。

Sunny 150 5-Input:中心流通过微孔,3D 全方位聚焦

5-Input 的中心输入端用一个微孔代替常规通道。流体从微孔出来后,被周围的四路流体从所有方向压缩(3D 聚焦),不只是 HFF 那样从两侧压缩,混合过程因此控制得更精细。选配外层稀释鞘流时,两股流体被进一步压缩,混合更快。粒径随 TFR 从 ~120 nm 降到 ~70 nm。本节数据来自早期型号 Sunny 150 5-Input,现行型号是 Sunny 150 3D,规格以 Sunny 微流控芯片技术规格页为准。

Sunny 150 5-Input 流速筛选:粒径 ~120→~70 nm(2–12 mL/min)。流体从各个方向被压缩。

Sunny 150 5-Input 芯片外观。

Sunny X 系列(100 X / 190 X / 275 X):窄汇合口诱导类湍流

Sunny X 把水相分成两路,在一个窄汇合口和有机相重新汇合。流体先被压缩再膨胀,从层流过渡到类湍流。

三种通道尺寸(100/190/275 µm)的流速-粒径响应不同,但都在 TFR 6–10 mL/min 达到最小粒径。100 X 的汇合口最小,在这个区间的较低 TFR 下就达到最小粒径;190 X 曲线更平缓,要更高 TFR 才进入完全类湍流状态;275 X 粒径最大。

X 系列既适合筛选,也适合更长时间的运行。通道尺寸有三档,所以放大时可以换芯片调参数。

Sunny 275 X、190 X 和 100 X 流速筛选对比。100 X 在最低 TFR 下粒径就开始快速下降,275 X 粒径最大。

Sunny 100 X 芯片外观。

Sunny T 系列(100 T / 190 T / 275 T):稀释通道或独立混合芯片

Sunny T 的结构最简单:两路流体正面或 90° 交汇,汇合口同样有压缩,混合充分。所以它既能单独做混合芯片,也能接在其他 Sunny 后面做在线稀释通道。粒径随 TFR 的趋势和 Sunny X 类似。

Sunny 275 T、190 T 和 100 T 流速筛选对比。趋势和 Sunny X 系列相似。

Sunny 100 T 芯片外观。

Sunny 50 Micromixer:不管流速多低都是类湍流

Micromixer 先聚焦流体,再让它沿混合通道反复分裂-重组。这种几何结构在任何流速下都能诱导类湍流,Trident T 或 X 系列则要到一定流速才从层流过渡到类湍流。所以在整个测试流速范围(1–6 mL/min)内,粒径基本不变,始终处于低值。

代价是几何结构复杂、背压高,流速范围受限。它适合配方筛选,或为难做的配方追求尽可能小的粒径,不推荐用于生产。

Sunny 50 Micromixer 流速筛选:粒径在 1–6 mL/min 范围内基本恒定(~70–80 nm),PDI 低。数据来自选型指南 Rev B;早期 Rev A 版在 2–8 mL/min 测得 ~55 nm。

Sunny 50 Micromixer 芯片外观。

一张图看完所有 Sunny 的粒径-流速曲线

Sunny 全系列流速筛选对比(SM-102 LNP,FRR 3:1)。490 Trident T 为层流,粒径随流速稳定下降。190 X 为类湍流,在 6–10 mL/min 达到最小值。275 X 为类湍流,粒径最大。Micromixer 全流速类湍流,粒径基本恒定。

实验条件(全部 Sunny 通用)

SM-102 Lipid Exploration Kit(Cayman Chemical),SM-102:DSPC:Chol:DMG-PEG2000 = 50:10:38.5:1.5 摩尔比,10 mM 总脂质/乙醇。载荷:PolyA(≥200 nt)。N/P = 6。FRR 3:1(水相:有机相)。

选型取决于配方特性和工艺目标:

Sunny 芯片用惰性玻璃制成,可重复使用。每种型号都兼容 Sunscreen、Sunshine 和 Sunbather;Sunbather 用的是该型号的 GMP 件号,属一次性流路。