摘 要 微尺度流動能夠一步到位地制備不同結(jié)構(gòu)和功能、尺寸在微米量級的復合液滴。文章回顧了幾種常見的基于復合液滴的微尺度流動方法包括同軸電霧化、復合流動聚焦、微流控芯片、玻璃微毛細管等并對各種技術(shù)的原理和進展進行了簡要概括和分析。在這類流動中不同種類的流體在一定的幾何結(jié)構(gòu)通道或外力場作用下平穩(wěn)地拉伸成微細射流并最終破碎成復合液滴。在同軸電霧化和復合流動聚焦技術(shù)中從毛細管流出的流體能夠形成穩(wěn)定的錐?射流結(jié)構(gòu)當外力作用改變時能夠形成不同的流動模式。在微流控芯片和玻璃微毛細管技術(shù)中流體被約束在固定管道內(nèi)不同管道構(gòu)型下能夠形成不同的流動形態(tài)。這些方法都采用純物理機理過程穩(wěn)定、易于操作制備的復合液滴粒徑可控單分散性好微觀結(jié)構(gòu)可設計在科學研究和工程實際中具有重要的應用價值。

引 言

復合微液滴是一種具有復雜結(jié)構(gòu)、大小在微米尺度的液滴包括雙層殼核結(jié)構(gòu)微液滴、多層復合結(jié)構(gòu)微液滴、 Ｊａｎｕｓ 微液滴、同核／異核結(jié)構(gòu)微液滴以及異核Ｊａｎｕｓ結(jié)構(gòu)微液滴等不同類別在科學研究和工程實際中具有重要的應用價值其制備方法也受到越來越多的關(guān)注。殼核結(jié)構(gòu)微液滴是一類球狀或類球狀體外層稱為囊膜壁殼內(nèi)層稱為囊芯物包埋材料分散或溶解在骨架基質(zhì)之中常用的囊膜壁殼材料有高分子、脂質(zhì)體等如圖１（ａ）所示。多層結(jié)構(gòu)微液滴一般具有多層殼核結(jié)構(gòu)涉及了多種囊膜壁殼材料或囊芯物材料如圖１（ｂ）所示。Ｊａｎｕｓ微液滴一般是由左右分布不同組分材料組成的微液滴且表現(xiàn)出不同的化學或物理特性如圖１（ｃ）所示。同核／異核結(jié)構(gòu)微液滴是指具有殼核結(jié)構(gòu)、囊芯物由多個相同材料或不同材料組成的復合微液滴分別如圖１（ｄ）和（ｅ）所示。異核Ｊａｎｕｓ微液滴結(jié)構(gòu)更復雜是指結(jié)合了殼核結(jié)構(gòu)微液滴以及Ｊａｎｕｓ微液滴特征而形成的一種新的復合微液滴 如圖１（ｆ）所示。

圖 １ 復合微液滴的幾種典型結(jié)構(gòu)

由于復合微液滴具有可控復雜型結(jié)構(gòu)所以這類微液滴在材料科學、生物醫(yī)學、食品、化學等領(lǐng)域中具有很大的應用潛力。比如在醫(yī)學和藥學中將藥物或造影劑封裝到不同囊材的微納膠囊中能夠滿足各種臨床需求包括病癥的靶向治療、藥物的控緩釋（控釋以及緩釋）、多功能造影劑、保持藥物的活性。在食品工業(yè)中微納膠囊亦被廣泛使用以達到保護敏感的生物活性物質(zhì)、掩蓋不良氣味或味道、提高其生物利用度固定食品加工中的細胞或酶。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)⑥r(nóng)藥溶液霧化成單分散微液滴使農(nóng)藥覆蓋更為均勻提高農(nóng)藥的效率而將農(nóng)藥做成微囊懸浮劑則可以保護農(nóng)藥有效成分達到農(nóng)藥的控緩釋效果減少施藥次數(shù)降低環(huán)境污染。

此外微納米量級的液滴、顆粒和膠囊對增材制造、細胞工程、組織工程、再生醫(yī)學等國際重大需求及其涉及的新興交叉學科領(lǐng)域也是至關(guān)重要的。目前制備復合微液滴的技術(shù)可以分為自下而上和自上而下兩大類。自下而上的制備技術(shù)主要是化學或物理化學方法也就是通過原子力、Ｖａｎ ｄｅｒＷａａｌｓ力或者毛細力使微觀尺度的物質(zhì)形成具有一定功能形狀或結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物這是最早發(fā)展起來的制備微液滴的技術(shù)也是目前使用最為廣泛的技術(shù)。相對應地自上而下的制備技術(shù)主要是物理方法也就是利用物理技術(shù)和材料的物理特性將材料離散至微納米尺度顆粒的制備方法。從微液滴制備技術(shù)的發(fā)展分類又可以分為以乳化法、相分離法、化學自組裝法為代表的傳統(tǒng)制備技術(shù)以及近些年發(fā)展起來的以電霧化技術(shù)、流動聚焦技術(shù)、微流控技術(shù)、玻璃微毛細管技術(shù)等為代表的新型微載體制備技術(shù)。這些新型制備技術(shù)不僅可以得到單分散性非常好的復合微液滴 還可以提高囊芯物的包裹率從而提高材料的利用率。

本文將回顧幾種常見的基于復合液滴的微尺度流動涉及了同軸電霧化、復合流動聚焦以及具有復雜結(jié)構(gòu)的微流控芯片、玻璃微毛細管等技術(shù)并對幾種技術(shù)的原理和進展進行簡要概述。這些技術(shù)的相似之處在于在一定的幾何結(jié)構(gòu)通道或外力場作用下兩種或多種液體能夠平穩(wěn)地拉伸成微細射流并最終破碎成復合微液滴。這些方法都采用純物理機理能夠制備不同結(jié)構(gòu)和形貌的復合微液滴過程穩(wěn)定、易于操作產(chǎn)物粒徑可控、單分散性好。然而這幾種技術(shù)因裝置結(jié)構(gòu)或外力場的不同相互之間也存在一定的差異。由于同軸或多軸等復合結(jié)構(gòu)的裝置都是從單軸結(jié)構(gòu)衍生而來我們將從相應的單軸技術(shù)開始逐一進行介紹并過渡到同軸或多軸技術(shù)．

１ 同軸電霧化技術(shù)

電霧化是一種使液體在高壓電場作用下霧化的方法其基本原理是從毛細針管流出的液體受到高壓靜電場力的作用在管口形成半月形界面即“Ｔａｙｌｏｒ 錐” 并在錐形頂端形成一股微細射流該射流由于不穩(wěn)定性在距離管口一定距離處破碎成單分散性的液滴。電霧化技術(shù)根據(jù)使用針管類型可以分為單軸電霧化和同軸電霧化繼而又發(fā)展出更復雜的多軸電霧化以及復合型電霧化等。電霧化技術(shù)設備簡單、成本低廉產(chǎn)物單分散性高、粒徑小可應用在質(zhì)譜儀、乳劑制備、超微氣霧劑制備、汽油噴灑、微包裹和噴墨打印等領(lǐng)域。

早在 １７４５ 年電霧化這種現(xiàn)象就被Ｂｏｓｅ 發(fā)現(xiàn)。１８８２年Ｒａｙｌｅｉｇｈ 利用帶電液體研究了電霧化技術(shù)的不穩(wěn)定性。１００多年前Ｚｅｌｅｎｙ研究了帶電液體表面放電現(xiàn)象而Ｔａｙｌｏｒ則第一個觀察到錐形的形成因此帶電錐體也被命名為“ Ｔａｙｌｏｒ 錐”。簡易的單軸電霧化裝置系統(tǒng)主要由不銹鋼針管、接收板、微量注射泵、注射器和高壓直流電源等組成。高壓直流電源一方面是使溶液帶電另一方面則是給流體運動提供電場作用。通過改變施加的電場強度和液體的流速可以得到單軸電霧化的幾種模式，主要包括滴模式和射流模式。滴模式根據(jù)不同的性質(zhì)又可以分為滴落模式、微液滴模式、紡錘模式以及多紡錘模式而射流模式根據(jù)射流的穩(wěn)定性可以分為錐?射流模式、擺動模式、旋轉(zhuǎn)模式和多射流模式。在實驗中我們通常利用的是穩(wěn)定的錐?射流模式因為該模式下可以產(chǎn)生高單分散性的微液滴．

同軸電霧化就是將單軸電霧化中的針管換成同軸針管其由內(nèi)外兩層流體組成實驗裝置系統(tǒng)如圖２（ａ）所示。在 ２００２ 年 Ｓｃｉｅｎｃｅ 雜志首次報道了利用同軸電霧化技術(shù)制備油包水的微膠囊并在實驗過程中得到了穩(wěn)定的同軸錐?射流結(jié)構(gòu)射流最終會破裂成單一分散的油包水微液滴如圖２（ｂ）所示。通過改變電壓流量等參數(shù)可以制備得到粒徑在 ０．１５～１０ μｍ 之間的油包水微液滴。在同軸電霧化中通過改變外部電壓和液體流速能夠觀察到４種流動模式分別是滴模式、錐振動模式、穩(wěn)定錐射流模式和多射流模式如圖２（ｃ）所示。在穩(wěn)定錐射流模式下利用同軸電霧化技術(shù)能夠制備得到均勻的載藥微膠囊藥物包裹率接近 １００％ 如圖 ２（ｄ）所示．

圖 ２ 同軸電霧化技術(shù)

在同軸電霧化中施加的電場強度和內(nèi)外層液體的流量速度是最主要過程參數(shù)直接影響錐形和射流的穩(wěn)定性、復合微液滴的大小以及微膠囊的殼厚等特性，其他影響因素還包括內(nèi)外層液體的介電常數(shù)、電導率、表面／界面張力和黏度等物理屬性。因此，并不是所有的材料都可以適用。

可以看出電霧化技術(shù)制備得到的微納米載體單分散性好、粒徑可控、包裹率和載藥率高。另外電霧化技術(shù)實驗系統(tǒng)簡單成本非常低通過調(diào)節(jié)電壓和流速可以制備得到納米顆粒．

近年來隨著微尺度流動及其交叉研究的推進一步到位包裹多種不同囊芯材料的多軸電霧化也被提出并用于制備復合微液滴。如圖３（ ａ）所示利用３層同軸針頭進行電霧化實驗能夠制備出同時包裹不同藥物或造影劑的多層微膠囊。復合型電霧化技術(shù)是利用具有特殊結(jié)構(gòu)的針管進行電霧化實驗比如利用并列的兩個針頭能夠制備得到一半顯綠色熒光、 一半顯紅色熒光的Ｊａｎｕｓ微球如圖３（ｂ）所示。利用復合型電霧化技術(shù)還能夠得到“一包一”、“一包二”、“一包三”和“一包四”等復合型微載體如圖３（ｃ）所示．

圖 ３ 多軸電霧化技術(shù)

２ 復合流動聚焦技術(shù)

流動聚焦技術(shù)是在 １９９８ 年第一次被提出國際上 Ｇａ?áｎ?Ｃａｌｖｏ 教授課題組、 國內(nèi)司廷教授課題組分別開展了大量研究工作目前已發(fā)展成為微尺度流動技術(shù)中的重要組成部分。其基本原理是毛細管口正對一個小孔液體從毛細管中流出并在高速穿過小孔的驅(qū)動流體作用下被聚焦從而形成錐射流結(jié)構(gòu)最后射流因界面上擾動的發(fā)展而破碎成微液滴。根據(jù)使用針管結(jié)構(gòu)的不同可以將流動聚焦技術(shù)簡單分為單軸流動聚焦和復合流動聚焦。根據(jù)驅(qū)動流體的不同又可以將之分為氣體驅(qū)動和液體驅(qū)動兩種模式。圖４給出了幾種不同結(jié)構(gòu)流動聚焦及典型的穩(wěn)定錐形和收集液滴的圖像。流動聚焦技術(shù)具有簡單易操作、易集成、 材料適用范圍廣及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點在生物醫(yī)學、材料科學、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著非常重要的應用前景．

近年來將流動聚焦和電霧化相結(jié)合可以產(chǎn)生電流動聚焦技術(shù)而將流動聚焦原理應用于微流控芯片或玻璃微毛細管裝置中可以產(chǎn)生微流控流動聚焦技術(shù)．

在氣體驅(qū)動的單軸流動聚焦中射流直徑 ｄ 的尺度律關(guān)系在１階近似下滿足以下關(guān)系：

其中ρｌ為液體的密度Δｐｇ為氣體的壓力差Ｑｌ為液體流量速度。結(jié)果表明射流直徑與結(jié)構(gòu)參數(shù)、液體和氣體的黏性以及液?氣之間的表面張力系數(shù)無關(guān)。進一步地可以通過實驗定量研究液體流量速度、氣體壓力差等參數(shù)對流動聚焦的影響能夠給出不同參數(shù)影響射流破碎的實驗規(guī)律。比如隨著氣體的壓力差增大流動聚焦產(chǎn)生的顆粒由單分散性向多分散性逐漸轉(zhuǎn)變射流也由軸對稱模式向非軸對稱模式轉(zhuǎn)變。本課題組進一步研究了氣體驅(qū)動流動聚焦的內(nèi)在規(guī)律利用自行設計的流動聚焦裝置實驗得到流動聚焦的６種模式錐振動模式、錐粘連模式、螺旋射流模式、共存射流模式、軸對稱射流模式以及滴模式通過實驗找到了各種模式之間的轉(zhuǎn)換邊界并利用不穩(wěn)定性理論分析給出了模式之間的轉(zhuǎn)換邊界與實驗結(jié)果相對應。液體驅(qū)動流動聚焦是以液體作為外相來驅(qū)動內(nèi)層液體或氣體。Ｇａ?áｎ?Ｃａｌｖｏ課題組使用超純水來驅(qū)動硅油研究了液體驅(qū)動流動聚焦中滴模式和射流模式兩種模式之間的轉(zhuǎn)變規(guī)律在固定驅(qū)動流量不變的前提下隨著內(nèi)層油相流量的逐漸變大流動聚焦也由滴模式逐漸變?yōu)樯淞髂Ｊ皆谕饶Ｊ较挛⒁旱蔚牧诫S著內(nèi)層流量的增大而增大。單軸流動聚焦結(jié)構(gòu)最簡單能夠制備不同種類的微液滴和微顆粒．

圖 ４ 不同結(jié)構(gòu)流動聚焦的穩(wěn)定錐形和收集的液滴

同軸流動聚焦技術(shù)使用兩根同軸嵌套的毛細管可以實現(xiàn)“一包一”或“一包多”復合微液滴的高效制備。Ｍａｒｔíｎ?Ｂａｎｄｅｒａｓ等利用氣體驅(qū)動同軸流動聚焦技術(shù)制備得到光固化材料包裹藍色墨水的微膠囊由于內(nèi)層溶液相對于外層溶液先破碎從而形成了“一包多” 的復合型微膠囊結(jié)構(gòu)。Ｚｈｕ等利用液體驅(qū)動同軸流動聚焦技術(shù)制備得到了包裹有吲哚菁綠（ ＩＣＧ）水溶液的脂質(zhì)體微膠囊并給出雙層微膠囊粒徑公式Ｄ的尺度律關(guān)系

 Ｑｏ與Ｑｆ分別為內(nèi)層流量、外層流量以及驅(qū)動液流量Ｄｏｒｉｆ為小孔直徑α為與結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)的常數(shù)。上述公式表明在相同實驗裝置情況下粒徑大小主要由內(nèi)外層和驅(qū)動液的流量以及小孔直徑?jīng)Q定而與其他參數(shù)無關(guān)。

更復雜的復合流動聚焦是利用復合針頭來實現(xiàn)的目前這方面的報道相對較少實驗也存在較大難度。Ｓｉ等利用氣體驅(qū)動三軸流動聚焦制備得到了３層微膠囊如圖４（ｃ）所示并研究了實驗裝置參數(shù)對錐形的影響。在氣體驅(qū)動同軸流動聚焦的基礎上Ｓｉ等進一步提出“ 一包二”形式的復合流動聚焦 并制備了“一包二”的海藻酸鈉微膠囊如圖４（ｄ）所示。Ｗｕ等在液驅(qū)同軸的基礎上進行拓展提出了多核Ｊａｎｕｓ微膠囊的制備方法如圖４（ｅ）所示并通過將細胞混合在兩種內(nèi)外層海藻酸鈉溶液中制備了載４種不同細胞的Ｊａｎｕｓ微膠囊在３Ｄ細胞共培養(yǎng)方面做了初步演示。進一步地Ｗｕ等還研究了半月形Ｊａｎｕｓ微膠囊的形成方法并首次制備了非球形的復合微膠囊。

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