微流控器件的设计策略

在大多数研究中，微流控器件的制备主要依赖两种技术：软光刻技术和毛细管微流控技术。软光刻技术通常使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）来制备具有良好透明性和生物相容性的微通道网络；毛细管微流控技术则使用玻璃毛细管来产生具有流动聚焦或并流结构的液滴。

后者与前者相比，更容易对微通道进行表面修饰，这更有利于产生复合液滴，然而，制备基于毛细管的微流控器件在技术上具有挑战性。为了解决单一材料器件的局限性，许多研究人员尝试通过使用两种或更多材料来制备混合材料微流控器件。多种材料的使用增加了器件的灵活性，实现了包括即插即用、模块化等特征。

尽管如此，产生理想复合液滴的微流控器件的开发通常需要多次、大量的实验才能达到预期的效果，然而，大多数器件是一次性的，很难回收，并且关键的几何参数在制成后不能改变。因此在器件设计过程中，需要一种灵活、动态的方法实现微流控器件的调节与扩展，以期在短时间内以低成本实现所需的功能。

近期，来自北京理工大学的陈晓东团队开发了一种由PDMS和玻璃毛细管两种材料制成的微流控器件，该器件具有即插即用和组装-拆卸功能的模块化组件，可以产生三种不同形态的微液滴，包括核-壳结构、三元结构与Janus结构。相关研究成果以“Fabrication of Diverse Microparticles in a Unified Microfluidic Configuration”为题发表于Advanced Materials Technologies期刊。

微流控器件的设计策略

将玻璃毛细管组装在钢管中，并使用粘合剂固定形成毛细管模块，随后将钢管插入PDMS器件的主通道中。其中，钢管的内径几乎等于毛细管的外径，从而确保它们的中心线可以对齐；钢管的外径等于主通道的内径，柔性PDMS材料与坚硬钢管之间的配合提供了良好的同轴性，同时由于不需要垫圈或粘合剂来固定毛细管模块，该器件可以自由拆装。

在该器件中，内部液体（硅油）以Q1的流量从入口毛细管流入主通道，而中间液体（一种可光固化的预聚液）和外部液体（甘油水溶液）分别以Q2和Q3的流量从侧孔对称地流入主通道。这三种液体在两根毛细管之间的空间内相互作用，形成复合微滴，然后从出口毛细管离开主通道。

研究人员制备了四种类型的毛细管来探索该器件的适用性。通过组合不同的毛细管模块，可以满足不同的需求，图1c展示了26种可能的装配类型。通过毛细管的更换，可以改变复合流线所经历的流场，从而影响所生成的复合液滴的形态和结构，研究人员展示了所研究的四种类型构件所产生的液滴类型，包括三元结构（图1d）、弹状核-壳（图1e）、Janus结构（图1f）和球形核-壳（图1g）形态的液滴。



图1 用于产生复合微液滴的微流控器件示意图，包括4种毛细管模块（b）与16种可能的装配类型（c）

器件的可调节性与可重用性

在该器件中，两个毛细管末端之间的距离L可以在0.52-1.84mm间连续调节（图2a）。在液滴形成过程中，所产生的中间相大液泡的直径De随L增加而增大，而最终生成的液滴的长度Ld略有减小，表明Ld对L的变化并不敏感。然而，随着L的增加，液滴直径的均匀性增加，这种效应可能是由于大液泡的存在导致上游扰动减少所致，为精确控制生成液滴的单分散性提供了一种设计策略（图2b）。

将Q3分别固定在8.0ml/h和4.0ml/h时，Q1和Q2的变化显示出不同的流动模式：不稳定流动、滴状流动和喷射流动，分别用三角形、正方形和圆形符号标记（图2c、2d）。不稳定模式下，液滴不能以单分散的形式产生；滴状流动模式下，毛细管出口界面在形成液滴后收缩；喷射模式下，复合流体在出口毛细管内断裂形成液滴。

当Q3从8.0ml/h减小到4.0ml/h时，区域图中不稳定模式面积减小而滴状流动模式出现。由于该器件可以拆卸，图2c中箭头所示出口处的毛细管，其出现的特异性缺损表明其可以重复使用，形成图2e、2f中所示的其他两种组装类型。当Q3固定在8ml/h时，所有构型均可以在Q1和Q2达到特定区域值时产生单分散的微液滴。随着装配类型的不同，所产生的微液滴状态发生变化，如图2e所示，由于出口处毛细管的内径较小，所产生的微液滴也较小。



图2 该微流控器件中几个关键参数的调节对液滴与流型的影响，包括两个毛细管间的距离（a-b）和三个流量的相对变化（c-f）

液滴的形态

流动聚焦构型的微流控通常用于产生核-壳结构的微液滴，然而研究人员所设计的器件在很大的Q3值范围内，均可以产生具有三元结构的微液滴（图3a）。正如研究人员所述，在轴对称流动聚焦构型中成功形成三元微液滴的研究并不常见。研究人员进一步测量了三元结构微液滴的关键参数，以更好了解液滴的形状。

研究人员发现，对于固定的Q1和Q2，壳层液滴的长度（Ls）和宽度（Ws）以及核心液滴的长度（Lc）和宽度（Wc）随着Q3的增加而减少（图3b）。



图3 利用该器件制造三元结构液滴（a）以及Q3的变化对液滴参数的影响（b）

在所设计的器件中，几个关键的几何参数可以通过不同的方式进行调整。进出主通道毛细管的内径和外径可以通过拆卸-组装不同的毛细管来调节，两个毛细管之间的距离可以在制造或操作期间进行动态的调整。这些关键参数的改变，同时改变了三相液体之间的相互作用，使得所产生的复合液滴不仅可以是三元结构，也可以是Janus结构和核-壳结构，进一步光照引发中间液体的聚合，生成了形状各异的微粒（图4）。

图4a展示了不同流速组合可以影响三元结构液滴三部分之间的体积比。由于液滴具有三元结构，每个液滴在固化后都会产生两种半月形的微粒（图4b-c）。当使用扩张结构的毛细管作为出口毛细管时（I-III型组装模式），微液滴形态转化为Janus结构（图4d）。

在毛细管扩张区上游的通道内产生了弹状的核-壳液滴，当液滴离开扩张区后，液滴被径向拉伸，壳层与芯层之间的界面厚度减少最终破裂，导致从三元结构到Janus结构的转变。这种转变可以发生在较大范围的流速组合上并产生不同大小的微液滴（图4e）。

在中间液体固化后，可以得到大小均匀的半月形颗粒（图4f）。核-壳结构的微液滴则可以使用I-IV型组装模式的器件产生。不同流速组合对微液滴形状产生了影响，由于较大的液滴更多的受到通道管壁的影响，它们的结构更像是子弹的形状（图4g1），Q3的增加则减小了液滴的尺寸，使得它们更偏向于圆形（图4g2-4g3）。这些核-壳结构的微液滴凝固后，可以生成弹状和球形的微粒（图4i）。



图4 利用该器件制造的不同结构微液滴可通过光固化进一步形成形态各异的微粒 可以看出，基于相同的液体组合，利用所设计的器件可以制备出三元结构、核-壳结构与Janus结构的复合液滴，直径在320～1320μm之间，这些液滴后续可用于制备具有半月形或核-壳结构的球形和弹状微粒。

综上所述，研究人员开发了一种模块化设计的微流控器件，该器件可以用于制备不同的微液滴与微颗粒。

与现有的方法相比，该器件的优点包括：

a）利用毛细管与PDMS分别构建出入口模块与主通道模块，成本低、可行性高；b）该器件的组装方法自然的保持了毛细管的轴对准；c）影响微液滴产生的关键几何参数在该器件中可以同时或独立的调整；d）这种相对简单的配置非常适合大规模的并行生产。

此外，研究人员还探索了器件的关键几何参数对流型和液滴形态、尺寸的影响，以阐明该器件的基本原理。该器件的巧妙设计与灵活性为研究影响微流体相互作用的关键参数提供了一种器件模版，也为复合微液滴、微粒的精确制造与规模生产提供了可行的思路。





审核编辑：刘清