微流控器件的設(shè)計(jì)策略

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(lái)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(lái)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(duì)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(guò)使用兩種或更多材料來(lái)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(guò)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(lái)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(duì)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(lái)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(duì)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(lái)探索該器件的適用性。通過(guò)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(guò)毛細(xì)管的更換，可以改變復(fù)合流線所經(jīng)歷的流場(chǎng)，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(guò)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(zhǎng)度Ld略有減小，表明Ld對(duì)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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)于固定的Q1和Q2，殼層液滴的長(zhǎng)度（Ls）和寬度（Ws）以及核心液滴的長(zhǎng)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(duì)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(guò)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(guò)拆卸-組裝不同的毛細(xì)管來(lái)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)簡(jiǎn)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(duì)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