原创 制备复合液滴的微尺度流动方法

３微流控芯片装置

微流控芯片装置主要是通过设计和加工一定构型的微管道对微量液体进行分析和操控从而实现特定功能和用途．近年来随着微纳加工技术的提高和相关研究的深入基于复合液滴的微流控芯片系统在生物医学、化学分析、材料科学、农业、化工、国防工业、航空航天等领域都产生着积极的作用和深刻的影响相关的研究成果也层出不穷得到广泛关注．

目前微管道的制作方法主要有机械法、化学刻蚀法以及光刻法等．机械法通常指利用精密的仪器在硅片或金属片等材料表面上直接加工出特定形状的微通道这种方法简单可靠而且可以获得较高的精度但是造价比较昂贵通道密封相对比较困难．化学刻蚀法是将硅片、玻璃片或者金属等材料作为基底将光刻胶均匀铺在基底表面后根据设计的形状在基底的表面形成保护层最后再使用特定的刻蚀液体腐蚀不受保护部分的材料通过控制工艺参数得到具有特定深度的通道结构．利用这种方法可以加工出纳米级别的微通道但是工艺控制较为复杂．光刻法则多是用软材料来制作特定形状的微通道其中聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）是使用最为广泛的软材料．用光刻法制备ＰＤＭＳ微流控芯片是目前主要的制作方式其工艺流程也比较可靠．

图５显示了几种典型微流控芯片的微管道结构包括制备单液滴的Ｔ型、同向流动、流动聚焦、交叉式管道等以及制备复合微液滴的串联或复合结构等．利用微流控技术制备复合微液滴具有显著的优势如粒径非常均匀颗粒大小可控性强包裹率高易于集成化等．２００３年流动聚焦原理被首次用于微流控芯片装置中水为分散相油为连续相通过改变过程参数在微流控芯片的喉道下游得到了不同粒径范围的单分散微液滴．利用微流控芯片装置结合不同材料的物理属性和润湿性研究者能够制备尺寸在μｍ 量级到 ｎｍ 量级的各种微液滴或微胶囊． 比如 Ｆｅｎｇ 等利用交叉式微流控芯片管道 从中间口引入聚乳酸⁃羟基乙酸共聚物（ＰＬＧＡ）溶液 从两个侧口注入脂质体（ ｌｉｐｉｄ）水溶液 由于 ｌｉｐｉｄ 分子亲疏水的极性 其将会吸附在ＰＬＧＡ 核的表面上 从而形成 ｌｉｐｉｄ⁃ＰＬＧＡ 复合结构的纳米微胶囊． Ｏｋｕｓｈｉｍａ 等利用两个 Ｔ 型接头的微管道 在第 １ 个接头处可以生成单分散性的水液滴 在第 ２ 个接头处可以生成油包水的复合微液滴． 通过改变流量 可以控制内液滴的大小和数量 也可以通过改变两个接头的润湿性而生成水包油的复合微液滴．

近几年利用微流控芯片装置制备结构更为复杂的复合微液滴相关报道越来越多．Ａｂａｔｅ等利用串联十字型接头改变相邻接头的润湿性的方法设计多级阵列微流控芯片制备得到单层、双层直至５层的复合微液滴如图６（ａ）所示．Ｏｋｕｓｈｉｍａ等通过设计串联的Ｔ型节点并且进行上游疏水性、下游亲水性处理通过匹配合适的流速制备了具有多个内核的双乳液．进一步地将上游的Ｔ型节点改变为十字节点后在两步乳化过程中制备出具有不同内核的双乳液如图６（ｂ）所示．Ｎｉｓｉ⁃ｓａｋｏ 等在微流控芯片中引入双相流动聚焦 通过设计 Ｙ 形通道分别从两个不同的分支中引入两种类型的有机流体 然后这两种流体合并成一个双相层流并通过剪切分解成 Ｊａｎｕｓ 微液滴 如图 ６（ｃ）所示． Ｓｅｉｆｆｅｒｔ 等利用两个串联十字型接头 将 ３ 种独立的半稀释聚 Ｎ 异丙基丙烯酰胺凝胶（ｐＮＩＰＡＡｍ）溶液在第 １ 个交叉点后形成层流 在第 ２ 个交叉点处被油相剪切破碎成微液滴 中心相组装在液滴的内核中 左右流动相形成 Ｊａｎｕｓ 外壳 如图 ６（ｄ）所示．最中间水相也可以改为油相制备内核为油相的 Ｊａｎｕｓ 微液滴． Ｚｈａｎｇ 等利用微流控芯片技术制备得到了海藻酸钠 Ｊａｎｕｓ 微球 并利用微流控芯片和 Ｊａｎｕｓ 微球的特点 避免细胞包封期间细胞长时间暴露于油相 保持细胞的生物活性 用于研究单细胞水平上的细胞间相互作用 通过在Ｊａｎｕｓ 微凝胶中配对和共培养单细胞．

４玻璃微毛细管装置

玻璃微毛细管装置的原理和微流控芯片相似但加工方法和几何结构明显不同多个玻璃微毛细管嵌套在一起一般具有三维或者轴对称结构．该技术成本低、易操作、不易腐蚀和包裹率高显示了突出的应用前景．

美国哈佛大学的Ｗｅｉｔｚ教授课题组最早利用玻璃微毛细管技术制备分布均匀的复合微液滴其核心装置主要由一个方形管和两个圆形管组成两个圆形毛细管嵌套在方形管道内并保证两个圆形管道同轴．利用该装置成功制备了双层微胶囊并通过改变各相液体的流量不仅可以控制液滴直径、壳厚还可以实现控制内部液滴的数量和大小．图７（ａ）显示了一种改进的玻璃微毛细管装置也就是利用层层嵌套的方法能够制备多层或“一包多”的复合微液滴．

由于玻璃的透明性和防腐蚀特性毛细管装置适合制备丰富的不同材料、不同功能的复合微液滴．比如Ｗａｎｇ等利用该技术制备了光固化材料乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（ＥＴＰＴＡ）的复合微液滴用紫外光对微液滴进行固化形成多孔微胶囊结构在细胞培养方面做了展示性工作．Ｓｕｎ等制备复合液滴并将其凝胶化处理利用石墨烯的高吸附性在去除油中杂质有很大的应用价值．Ｋｉｍ等通过设计１个圆柱毛细管、２个过渡毛细管和１个收集管而实现一步到位制备单分散性的多层复合液滴．玻璃微毛细管技术也具有很强的扩展性．Ｋｉｍ等利用两个并排的毛细管制备了光子晶体Ｊａｎｕｓ微球如图７（ｂ）所示．这种Ｊａｎｕｓ微球由于一个半球是纳米碳粉从而具有电场的各向异性使Ｊａｎｕｓ微球在交流电场下可以整齐排列．Ｗａｎｇ等利用改进后的３个并排毛细管开发了一种用于酶级联反应的生物激发多酶系统．Ｋｉｍ等将不同浓度的聚苯乙烯纳米球用光固化材料包裹起来在渗透压的作用下形成具有不同反射光谱的微胶囊光子晶体如图７（ｃ）所示．Ｇｕａｎ等利用毛细玻璃管技术制备了渗透压响应性的多核微胶囊如图７（ｄ）所示．在外界渗透压作用下微胶囊内部的两个液滴会因吸收外界水分子而发生膨胀通过改变渗透压的大小可以控制两个内部液滴的大小和膨胀的速度．Ｊｉａ等制备了包裹有一种或多种活性物质的微胶囊通过交流电场可以控制释放活性物质．由界面极化引起的电场诱导压缩克服了薄壳上的分离压力并导致液滴油层的变薄和破裂最终将包封的活性物质释放到环境中．根据离子种类和离子浓度的不同这种技术可用于封装和释放各种试剂．而且聚合物纳米颗粒和酵母细胞也可包含在液滴中然后在目标位置释放．

５对比与讨论

同轴电雾化、复合流动聚焦、微流控芯片和玻璃微毛细管等４种用于制备复合液滴的微尺度流动方法都具有较高的包裹效率均可集成化等但是在装置结构和流动特征、制备复合液滴机理等方面存在显著的不同．表１归纳了４种方法的异同其中由于微流控芯片和玻璃微毛细管在诸多方面都具有相似性这里先将它们放在一起进行对比．

在复合流动聚焦中惯性力是主要驱动力易于得到稳定的锥形和射流但颗粒直径一般分布在微米量级尤其优于制备数十微米的复合液滴．在同轴电雾化中电场力是主要驱动力得到的射流直径一般在数微米大小甚至可以达到亚微米量级但锥形不易稳定．由于同轴电雾化和复合流动聚焦技术的装置结构十分接近在制备复合微液滴方面也存在类似的射流不稳定性原理因此可以将两种技术相结合能够使锥形更稳定可应用的参数范围更广．此外在这两种技术中射流的流动速度一般较快、破碎频率高射流以及复合液滴在下游运动均处于敞开空间中便于复合液滴的收集和后处理．

微流控芯片与玻璃微毛细管有很多相似的特点．在这两种技术中液体一般约束在管道里毛细作用和润湿作用明显在较低流量下液体的流动速度也较低黏性力和表面张力占主导生产效率一般较低．这两种方法制备的复合液滴一般都比较均匀粒径在数百微米较为常见也可以在一定条件下减小到数十微米或更小．微流控芯片装置的加工技术已经日益成熟其可以通过表面改性处理以及不同结构的串联、并联以及三维层叠等方式实现复合微液滴的制备其可扩展性以及精确性是大批量制备复合微液滴的重要保障．相比于微流控芯片装置玻璃微毛细管装置是三维或轴对称结构的性能更加稳定不会因为有机试剂造成类似于ＰＤＭＳ的膨胀现象．另外玻璃微毛细管可以对各个管道表面进行简单的亲水性或者疏水性处理来消除溶剂兼容性问题使其应用领域更广．

总之这几种微流动方法都能够用于制备复合液滴各有特点将会在不同领域发挥应有的作用促进科学和技术的进步．

６结论

基于复合液滴的微尺度流动是一个逐渐兴起的研究方向在“定制”具有可控尺寸、 形状和内部结构的复合液滴方面具有巨大潜力． 在同轴电雾化、 复合流动聚焦、 微流控芯片以及玻璃微毛细管这几种微尺度流动中 可以一步到位地产生双层甚至多层复合微液滴 具有较高的单分散性以及包裹效率 并且可以控制封装在每个外部液滴或壳体内的液滴数量以及大小． 主要优势还在于这些方法能够精确控制液滴形状、 结构和各向异性 为生命科学、 材料科学、 化学合成、 粒子工程、 分子生物学以及其他领域开辟了新的可能性． 相关基础问题研究的开展 必将推动基于复合液滴的微尺度流动的实用化进程．

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