在大多數(shù)研究中，微流控器件的制備主要依賴兩種技術(shù)：軟光刻技術(shù)和毛細(xì)管微流控技術(shù)。軟光刻技術(shù)通常使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）來制備具有良好透明性和生物相容性的微通道網(wǎng)絡(luò)；毛細(xì)管微流控技術(shù)則使用玻璃毛細(xì)管來產(chǎn)生具有流動(dòng)聚焦或并流結(jié)構(gòu)的液滴。

后者與前者相比，更容易對微通道進(jìn)行表面修飾，這更有利于產(chǎn)生復(fù)合液滴，然而，制備基于毛細(xì)管的微流控器件在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。為了解決單一材料器件的局限性，許多研究人員嘗試通過使用兩種或更多材料來制備混合材料微流控器件。多種材料的使用增加了器件的靈活性，實(shí)現(xiàn)了包括即插即用、模塊化等特征。

盡管如此，產(chǎn)生理想復(fù)合液滴的微流控器件的開發(fā)通常需要多次、大量的實(shí)驗(yàn)才能達(dá)到預(yù)期的效果，然而，大多數(shù)器件是一次性的，很難回收，并且關(guān)鍵的幾何參數(shù)在制成后不能改變。因此在器件設(shè)計(jì)過程中，需要一種靈活、動(dòng)態(tài)的方法實(shí)現(xiàn)微流控器件的調(diào)節(jié)與擴(kuò)展，以期在短時(shí)間內(nèi)以低成本實(shí)現(xiàn)所需的功能。

近期，來自北京理工大學(xué)的陳曉東團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種由PDMS和玻璃毛細(xì)管兩種材料制成的微流控器件，該器件具有即插即用和組裝-拆卸功能的模塊化組件，可以產(chǎn)生三種不同形態(tài)的微液滴，包括核-殼結(jié)構(gòu)、三元結(jié)構(gòu)與Janus結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果以“Fabrication of Diverse Microparticles in a Unified Microfluidic Configuration”為題發(fā)表于Advanced Materials Technologies期刊。

微流控器件的設(shè)計(jì)策略

將玻璃毛細(xì)管組裝在鋼管中，并使用粘合劑固定形成毛細(xì)管模塊，隨后將鋼管插入PDMS器件的主通道中。其中，鋼管的內(nèi)徑幾乎等于毛細(xì)管的外徑，從而確保它們的中心線可以對齊；鋼管的外徑等于主通道的內(nèi)徑，柔性PDMS材料與堅(jiān)硬鋼管之間的配合提供了良好的同軸性，同時(shí)由于不需要墊圈或粘合劑來固定毛細(xì)管模塊，該器件可以自由拆裝。

在該器件中，內(nèi)部液體（硅油）以Q1的流量從入口毛細(xì)管流入主通道，而中間液體（一種可光固化的預(yù)聚液）和外部液體（甘油水溶液）分別以Q2和Q3的流量從側(cè)孔對稱地流入主通道。這三種液體在兩根毛細(xì)管之間的空間內(nèi)相互作用，形成復(fù)合微滴，然后從出口毛細(xì)管離開主通道。

研究人員制備了四種類型的毛細(xì)管來探索該器件的適用性。通過組合不同的毛細(xì)管模塊，可以滿足不同的需求，圖1c展示了26種可能的裝配類型。通過毛細(xì)管的更換，可以改變復(fù)合流線所經(jīng)歷的流場，從而影響所生成的復(fù)合液滴的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，研究人員展示了所研究的四種類型構(gòu)件所產(chǎn)生的液滴類型，包括三元結(jié)構(gòu)（圖1d）、彈狀核-殼（圖1e）、Janus結(jié)構(gòu)（圖1f）和球形核-殼（圖1g）形態(tài)的液滴。



圖1 用于產(chǎn)生復(fù)合微液滴的微流控器件示意圖，包括4種毛細(xì)管模塊（b）與16種可能的裝配類型（c）

器件的可調(diào)節(jié)性與可重用性

在該器件中，兩個(gè)毛細(xì)管末端之間的距離L可以在0.52-1.84mm間連續(xù)調(diào)節(jié)（圖2a）。在液滴形成過程中，所產(chǎn)生的中間相大液泡的直徑De隨L增加而增大，而最終生成的液滴的長度Ld略有減小，表明Ld對L的變化并不敏感。然而，隨著L的增加，液滴直徑的均勻性增加，這種效應(yīng)可能是由于大液泡的存在導(dǎo)致上游擾動(dòng)減少所致，為精確控制生成液滴的單分散性提供了一種設(shè)計(jì)策略（圖2b）。

將Q3分別固定在8.0ml/h和4.0ml/h時(shí)，Q1和Q2的變化顯示出不同的流動(dòng)模式：不穩(wěn)定流動(dòng)、滴狀流動(dòng)和噴射流動(dòng)，分別用三角形、正方形和圓形符號標(biāo)記（圖2c、2d）。不穩(wěn)定模式下，液滴不能以單分散的形式產(chǎn)生；滴狀流動(dòng)模式下，毛細(xì)管出口界面在形成液滴后收縮；噴射模式下，復(fù)合流體在出口毛細(xì)管內(nèi)斷裂形成液滴。

當(dāng)Q3從8.0ml/h減小到4.0ml/h時(shí)，區(qū)域圖中不穩(wěn)定模式面積減小而滴狀流動(dòng)模式出現(xiàn)。由于該器件可以拆卸，圖2c中箭頭所示出口處的毛細(xì)管，其出現(xiàn)的特異性缺損表明其可以重復(fù)使用，形成圖2e、2f中所示的其他兩種組裝類型。當(dāng)Q3固定在8ml/h時(shí)，所有構(gòu)型均可以在Q1和Q2達(dá)到特定區(qū)域值時(shí)產(chǎn)生單分散的微液滴。隨著裝配類型的不同，所產(chǎn)生的微液滴狀態(tài)發(fā)生變化，如圖2e所示，由于出口處毛細(xì)管的內(nèi)徑較小，所產(chǎn)生的微液滴也較小。



圖2 該微流控器件中幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)節(jié)對液滴與流型的影響，包括兩個(gè)毛細(xì)管間的距離（a-b）和三個(gè)流量的相對變化（c-f）

液滴的形態(tài)

流動(dòng)聚焦構(gòu)型的微流控通常用于產(chǎn)生核-殼結(jié)構(gòu)的微液滴，然而研究人員所設(shè)計(jì)的器件在很大的Q3值范圍內(nèi)，均可以產(chǎn)生具有三元結(jié)構(gòu)的微液滴（圖3a）。正如研究人員所述，在軸對稱流動(dòng)聚焦構(gòu)型中成功形成三元微液滴的研究并不常見。研究人員進(jìn)一步測量了三元結(jié)構(gòu)微液滴的關(guān)鍵參數(shù)，以更好了解液滴的形狀。

研究人員發(fā)現(xiàn)，對于固定的Q1和Q2，殼層液滴的長度（Ls）和寬度（Ws）以及核心液滴的長度（Lc）和寬度（Wc）隨著Q3的增加而減少（圖3b）。



圖3 利用該器件制造三元結(jié)構(gòu)液滴（a）以及Q3的變化對液滴參數(shù)的影響（b）

在所設(shè)計(jì)的器件中，幾個(gè)關(guān)鍵的幾何參數(shù)可以通過不同的方式進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)出主通道毛細(xì)管的內(nèi)徑和外徑可以通過拆卸-組裝不同的毛細(xì)管來調(diào)節(jié)，兩個(gè)毛細(xì)管之間的距離可以在制造或操作期間進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整。這些關(guān)鍵參數(shù)的改變，同時(shí)改變了三相液體之間的相互作用，使得所產(chǎn)生的復(fù)合液滴不僅可以是三元結(jié)構(gòu)，也可以是Janus結(jié)構(gòu)和核-殼結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步光照引發(fā)中間液體的聚合，生成了形狀各異的微粒（圖4）。

圖4a展示了不同流速組合可以影響三元結(jié)構(gòu)液滴三部分之間的體積比。由于液滴具有三元結(jié)構(gòu)，每個(gè)液滴在固化后都會(huì)產(chǎn)生兩種半月形的微粒（圖4b-c）。當(dāng)使用擴(kuò)張結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管作為出口毛細(xì)管時(shí)（I-III型組裝模式），微液滴形態(tài)轉(zhuǎn)化為Janus結(jié)構(gòu)（圖4d）。

在毛細(xì)管擴(kuò)張區(qū)上游的通道內(nèi)產(chǎn)生了彈狀的核-殼液滴，當(dāng)液滴離開擴(kuò)張區(qū)后，液滴被徑向拉伸，殼層與芯層之間的界面厚度減少最終破裂，導(dǎo)致從三元結(jié)構(gòu)到Janus結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變可以發(fā)生在較大范圍的流速組合上并產(chǎn)生不同大小的微液滴（圖4e）。

在中間液體固化后，可以得到大小均勻的半月形顆粒（圖4f）。核-殼結(jié)構(gòu)的微液滴則可以使用I-IV型組裝模式的器件產(chǎn)生。不同流速組合對微液滴形狀產(chǎn)生了影響，由于較大的液滴更多的受到通道管壁的影響，它們的結(jié)構(gòu)更像是子彈的形狀（圖4g1），Q3的增加則減小了液滴的尺寸，使得它們更偏向于圓形（圖4g2-4g3）。這些核-殼結(jié)構(gòu)的微液滴凝固后，可以生成彈狀和球形的微粒（圖4i）。



圖4 利用該器件制造的不同結(jié)構(gòu)微液滴可通過光固化進(jìn)一步形成形態(tài)各異的微粒 可以看出，基于相同的液體組合，利用所設(shè)計(jì)的器件可以制備出三元結(jié)構(gòu)、核-殼結(jié)構(gòu)與Janus結(jié)構(gòu)的復(fù)合液滴，直徑在320～1320μm之間，這些液滴后續(xù)可用于制備具有半月形或核-殼結(jié)構(gòu)的球形和彈狀微粒。

綜上所述，研究人員開發(fā)了一種模塊化設(shè)計(jì)的微流控器件，該器件可以用于制備不同的微液滴與微顆粒。

與現(xiàn)有的方法相比，該器件的優(yōu)點(diǎn)包括：

a）利用毛細(xì)管與PDMS分別構(gòu)建出入口模塊與主通道模塊，成本低、可行性高；b）該器件的組裝方法自然的保持了毛細(xì)管的軸對準(zhǔn)；c）影響微液滴產(chǎn)生的關(guān)鍵幾何參數(shù)在該器件中可以同時(shí)或獨(dú)立的調(diào)整；d）這種相對簡單的配置非常適合大規(guī)模的并行生產(chǎn)。

此外，研究人員還探索了器件的關(guān)鍵幾何參數(shù)對流型和液滴形態(tài)、尺寸的影響，以闡明該器件的基本原理。該器件的巧妙設(shè)計(jì)與靈活性為研究影響微流體相互作用的關(guān)鍵參數(shù)提供了一種器件模版，也為復(fù)合微液滴、微粒的精確制造與規(guī)模生產(chǎn)提供了可行的思路。





審核編輯：劉清