微流控液滴技術(shù)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展

劉趙淼　楊洋　杜宇　逄燕

摘要微液滴具有體積小、比表面積大，速度快、通量高，大小均勻、體系封閉，內(nèi)部穩(wěn)定等特性，在藥物控釋、病毒檢測(cè)、顆粒材料合成、催化劑等領(lǐng)域中均有重要應(yīng)用。微流控技術(shù)的發(fā)展為微液滴生成中實(shí)現(xiàn)尺寸規(guī)格、結(jié)構(gòu)形貌和功能特性等的可控設(shè)計(jì)和精確操控提供了全新平臺(tái)。本文概述了微流控液滴技術(shù)的基本原理、液滴生成方式及其基本操控，比較分析了微液滴的傳統(tǒng)制備法與微流控合成法的異同，介紹了近年來(lái)微流控液滴技術(shù)在功能材料合成、生物醫(yī)學(xué)和食品加工等領(lǐng)域中的研究新進(jìn)展，探討并展望了微流控液滴技術(shù)的潛在價(jià)值和未來(lái)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞微流控技術(shù)； 微液滴； 液滴操控； 微通道； 評(píng)述

1引言

微流控液滴技術(shù)是近年來(lái)在微流控芯片上發(fā)展起來(lái)的一種研究幾微米至數(shù)百微米尺度范圍內(nèi)微液滴的生成、操控及應(yīng)用的新技術(shù)[1～4]。微流控法生成液滴過(guò)程中，互不相容的兩種液體分別作為連續(xù)相和離散相，在固定體積流率的注射泵的驅(qū)動(dòng)下各自進(jìn)入不同的微通道，當(dāng)兩股流體在交叉點(diǎn)處相遇后，離散相流體繼續(xù)延伸形成“塞狀”或“噴射狀”的液柱后在連續(xù)相流體的剪切和擠壓作用下，由于自由界面不穩(wěn)定性而破裂，“塞狀”或“噴射狀”的液柱被夾斷，以微小體積（10單元的形式分散于連續(xù)相中形成液滴[5，6]。微液滴常作為微反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)生化反應(yīng)、試劑快速混合以及微顆粒合成等，極大程度地強(qiáng)化了微流控芯片的低消耗、自動(dòng)化和高通量等優(yōu)點(diǎn)。隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的不斷發(fā)展，微流控液滴技術(shù)被廣泛應(yīng)用于藥物傳輸、生物工程、疾病防護(hù)、化學(xué)分析、細(xì)胞研究和功能材料合成等諸多領(lǐng)域[7～13]，并起著至關(guān)重要的作用。

微液滴的傳統(tǒng)制備方法主要包括高速攪拌法[14]、逐層沉積法[15，16]、膜乳化法[17～19]和界面聚合法[20～22]等，這些方法通常需要多級(jí)處理和特定的乳液合成配方，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)微液滴的殼層厚度或內(nèi)部腔室結(jié)構(gòu)及組分等的精確調(diào)控，直接影響了后續(xù)借助一定手段固化而成的微顆粒的穩(wěn)定性、機(jī)械性能以及不同物質(zhì)之間滲透性的優(yōu)劣。此外，由于傳統(tǒng)合成工藝所用的剪切力可變性高，致使合成微粒的尺寸和形態(tài)差異較大， 且單分散性有限。

微流控法作為一種新型、穩(wěn)健的液滴合成方法，具有以下顯著優(yōu)勢(shì)： （1）體系封閉，傳質(zhì)傳熱效率高，反應(yīng)條件穩(wěn)定， 且試劑消耗量少，能有效避免交叉污染，后處理簡(jiǎn)便； （2）鑒于微尺度流體優(yōu)良的流型操控性能、特殊的層流效應(yīng)和相界面特性（如界面聚合、界面萃取、多重乳液和液滴融合等）等，在合成具有獨(dú)特化學(xué)成分和可控形狀的微液滴方面表現(xiàn)出極大的靈活性。（3）能通過(guò)若干單級(jí)微通道的互相組合升級(jí)為具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微流控系統(tǒng)，在無(wú)需引入外加刺激源及進(jìn)一步的提純操作的情況下，實(shí)現(xiàn)一步式合成粒徑分布很窄的目標(biāo)尺寸的微液滴。這些優(yōu)勢(shì)使微流控液滴技術(shù)不僅有效克服了傳統(tǒng)制備方法的不足，同時(shí)確保了對(duì)活性組分的有效封裝，為實(shí)現(xiàn)生物制藥、病毒檢測(cè)、化學(xué)分析以及食品/化妝品加工等提供了全新平臺(tái)[23～25]。

由于通道幾何結(jié)構(gòu)、液相流量等物性參數(shù)決定了影響界面形變的局部流場(chǎng)的分布，而微通道中液滴的斷裂機(jī)理又關(guān)系到黏性力與兩相界面張力之間的平衡[4，26～30]。因此，前期的研究多集中于探討通道的幾何結(jié)構(gòu)、兩相黏度、流速、浸潤(rùn)性和界面張力等參數(shù)的影響， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)微液滴尺寸、形貌、均一度等的精確調(diào)控。本文將綜述微流控液滴技術(shù)的基本原理、液滴生成方式及其基本操控，介紹近年來(lái)微流控液滴技術(shù)在功能材料合成、生物醫(yī)藥和食品加工領(lǐng)域應(yīng)用的最新進(jìn)展，并就其潛在價(jià)值和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2微流控液滴技術(shù)

2.1微液滴的生成方式

目前，基于微流控體系的液滴生成方法中，最常用的有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種[2，6]。在主動(dòng)式中，主要采用諸如熱量、氣壓、壓電、微閥和磁場(chǎng)等外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)液滴生成。相比主動(dòng)式而言，被動(dòng)生成方法無(wú)需施加外場(chǎng)作用，直接利用微通道幾何結(jié)構(gòu)的限制促使流場(chǎng)交界面發(fā)生變形、界面不穩(wěn)定性增加，從而生成離散相液滴。被動(dòng)式液滴生成技術(shù)不僅可以生成大小均一、單分散度好、空間分布均勻（微液滴尺寸分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差小至1%～3%）的連續(xù)液滴串，還能有效避免外界作用干擾，消除交叉污染。根據(jù)材料和通道結(jié)構(gòu)的不同，在被動(dòng)式中微流控裝置主要分為以下3類(lèi)（見(jiàn)表1）。

2.1.1基于PDMS材料加工而成的微流控裝置[31～33]主要特征是成本較低、制作簡(jiǎn)便，構(gòu)建的通道結(jié)構(gòu)靈活多變，對(duì)UV光的投射性好，擁有獨(dú)特的彈塑性，能與載玻片和曲面基板進(jìn)行面接觸。主要用于合成球形顆粒、多相結(jié)構(gòu)顆粒（Janus顆粒）和截面形狀可變的二維擠壓式非球形顆粒。但是，PDMS在非極性溶劑中的溶脹作用是妨礙其應(yīng)用的主要因素。根據(jù)PDMS基微流控裝置幾何結(jié)構(gòu)的差異以及液相流體流動(dòng)方向的不同，微液滴的生成可分為以下5種基本形式： （1）二維擠壓結(jié)構(gòu)[34，35]； （2）型微通道[36，37]； （3）流動(dòng)聚焦型微通道[38～40]； （4）共聚焦型微通道[41]； （5）Y型微通道[42]（如表1（a）～（h）所示）。

2.1.2采用毛細(xì)玻璃管搭建的微流控裝置[43～45]根據(jù)嵌套結(jié)構(gòu)的多樣性又可分為單乳液滴和復(fù)乳液滴兩種結(jié)構(gòu)（如表1（i）～（k）所示）。當(dāng)離散相通過(guò)玻璃管進(jìn)入主通道時(shí)，兩相界面在被同向引入的連續(xù)相剪切力作用下出現(xiàn)由表面張力引發(fā)的PlateauRayleigh不穩(wěn)定性，失穩(wěn)后形成液滴。該結(jié)構(gòu)主要用于生成核殼或多重乳液包裹的復(fù)合結(jié)構(gòu)微粒。其主要缺點(diǎn)是對(duì)毛細(xì)管的制造技術(shù)要求較高，且不適于生成二維結(jié)構(gòu)的擠壓顆粒。

2.1.3基于臺(tái)階式結(jié)構(gòu)的液滴生成裝置[46]

離散相沿板塊中間的小孔流入微通道，在流經(jīng)臺(tái)階處時(shí)迅速膨脹成橢圓形小液滴，到達(dá)臺(tái)階末端后與收集渠中的連續(xù)相接觸，在兩相界面張力的作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐我旱危ㄈ绫?（l）所示）。這種結(jié)構(gòu)可控性差，且不適于生成復(fù)雜結(jié)構(gòu)/功能的微乳液滴，故應(yīng)用范圍的靈活性受到極大制約。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和玻璃片等也可用于構(gòu)建微流控裝置，但其應(yīng)用范圍沒(méi)有PDMS和毛細(xì)玻璃管普遍。此外，文獻(xiàn)[47～49]還研究了流量參數(shù)和溶劑組合的改變對(duì)生成微粒結(jié)構(gòu)/功能的調(diào)控，以及在最優(yōu)流量比下能形成穩(wěn)定液滴的流型特征。

基于微流控液滴技術(shù)，并結(jié)合一定的固化手段[50，51]，已實(shí)現(xiàn)了可控制備球形、非球形、核殼結(jié)構(gòu)、微膠囊和Janus微粒等不同形貌及功能化的微顆粒[1～7]。這些微顆粒因具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形貌特殊和功能多樣等特點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于功能材料合成、生物科學(xué)（如藥物傳輸、細(xì)胞封裝和微毒物篩選）、藥劑學(xué)、環(huán)境科學(xué)、電子技術(shù)和再生能源等領(lǐng)域 [4，6，7]。圖1所示為利用微流控法制備的球形顆粒以及不同結(jié)構(gòu)復(fù)合微粒的體系圖。

2.2微液滴的基本操控

隨著微流控液滴技術(shù)的飛速發(fā)展，更多涉及微液滴后續(xù)操控、調(diào)節(jié)和功能化的技術(shù)也被同步發(fā)展。通常，一旦微液滴生成之后，可根據(jù)實(shí)際需求利用主動(dòng)或被動(dòng)方法對(duì)微液滴進(jìn)行精確操控和調(diào)節(jié)。例如， 為了進(jìn)行擴(kuò)大平行反應(yīng)需進(jìn)行液滴分裂； 為了將液滴作為微反應(yīng)器，進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和生物實(shí)驗(yàn)，需進(jìn)行不同試劑間的液滴融合和液滴內(nèi)部混合； 為了對(duì)特定液滴進(jìn)行內(nèi)部分析，需根據(jù)不同屬性進(jìn)行液滴捕獲和分揀等等。

常見(jiàn)微液滴的基本操控主要包括以下幾個(gè)方面[3～5，51～56]（圖2）： （1）液滴融合； （2）液滴分裂； （3）液滴內(nèi)部混合； （4）液滴捕獲和存儲(chǔ)。此外，在這些基本操控過(guò)程中，微液滴的相態(tài)能通過(guò)溶劑蒸發(fā)、聚合作用等方式進(jìn)行改變。隨著微流控技術(shù)的不斷發(fā)展，液滴基本操控為實(shí)現(xiàn)大量液滴的多路復(fù)用技術(shù)，確保微液滴在大規(guī)模復(fù)雜生化體系中的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，并在病毒檢測(cè)、顆粒材料合成和高通量藥物篩選等領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

3微流控液滴技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1微流控液滴技術(shù)在材料合成領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著微流控液滴技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于微米尺度下水包油型（O/W）和油包水型（W/O）微乳液滴的生成。通過(guò)替換用于發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)試劑的種類(lèi)便能實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)物、水凝膠、Janus及不同形貌微顆粒材料的可控制備，而且通過(guò)微通道的串聯(lián)和并聯(lián)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)微顆粒結(jié)構(gòu)形貌和尺寸規(guī)格等的連續(xù)精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)多相多組分復(fù)雜結(jié)構(gòu)微顆粒材料的合成。

3.1.1無(wú)機(jī)/固態(tài)聚合物微粒Wang等[58]通過(guò)共聚焦型微流控系統(tǒng)，以Si/Al溶膠為分散相，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為68%，2%和30%的液體石蠟， Span85和三辛胺混合溶液為連續(xù)相，一步式制得了具有表面孔洞，可控孔尺寸為40～150 μm，顆粒尺寸為450～600 μm的硅鋁復(fù)合空心球，用作催化劑載體。丁學(xué)強(qiáng)等[59]以聚丙烯酰胺丙烯酸和聚乙二醇/聚丙烯酸兩種水凝膠作為模板，以丙烯酸做抑制劑，采用類(lèi)似結(jié)構(gòu)合成了iO2微球。由于聚乙二醇/聚丙烯酸水凝膠的吸水膨脹率更小， 前驅(qū)體溶液的穩(wěn)定性更高，故微球的球形度、單分度等均得到顯著提高。

Wacker等[60]將異硫氰酸熒光素（FIC）染料、乙醇和氨丙基三乙氧基硅烷（APES）的反應(yīng)液與正硅酸乙酯（EOS）混合得到熒光硅醇鹽前體溶液，利用聚焦型微流控系統(tǒng)合成微乳液滴，再經(jīng)固化獲得具有熒光標(biāo)記功能的SiO2納米顆粒（50～350 nm），用于減少染料泄漏，提高染料穩(wěn)定性。他們還通過(guò)精確控制反應(yīng)物濃度和反應(yīng)時(shí)間提高了合成微粒的粒徑均一度（350 nm微顆粒的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差降至3%以下）。

Yang等[61]利用微流控技術(shù)在光聚合作用下合成了直徑約為3.3～3.7 mm的低密度海綿狀微殼，并研究了在光敏聚合作用中單體濃度和照明時(shí)間對(duì)PDVB（聚二乙烯基苯）微殼結(jié)構(gòu)和性能的影響。發(fā)現(xiàn)PDVB微殼的孔隙體積和平均孔隙直徑隨著單體濃度和照明時(shí)間的增加而減少。該研究對(duì)實(shí)現(xiàn)毫米尺度PDVB微殼的最優(yōu)化以及激光融合實(shí)驗(yàn)或ICF靶目標(biāo)芯軸的具體應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。

eshima等[62]利用流動(dòng)聚焦型微流控系統(tǒng)，以包含白色和黑色凝膠微粒（即： 亞微米尺度的白色SiO2和黑色磁鐵礦（Fe3O4）凝膠微粒）的懸濁液為離散相，以十六烷（包含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的Span80）為連續(xù)相，合成了在空氣中能呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)性色彩的單分散性球形裝配體（圖3）。通過(guò)改變懸浮液中SiO2凝膠微粒的數(shù)量、尺寸分別實(shí)現(xiàn)對(duì)微球裝配體平均尺度和顏色的調(diào)節(jié)，通過(guò)改變磁鐵礦凝膠顆粒的數(shù)量實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色飽和度的調(diào)節(jié)，這為合成環(huán)保且無(wú)化學(xué)毒害特性的結(jié)構(gòu)染色材料提供了理想選擇。

3.1.2水凝膠微粒

Zhao等[63]利用雙同軸毛細(xì)管裝置，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的殼聚糖和乙酸混合液為內(nèi)部相，硅溶膠為中間相，正辛醇溶液為外部相，合成了具有不同孔結(jié)構(gòu)的殼聚糖/硅凝膠核殼型復(fù)合微球。該微球具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和金屬離子吸附性能，可用于固定Cu（II），催化芐基疊氮和苯乙炔之間的點(diǎn)擊反應(yīng)，當(dāng)催化效率下降后，可用沉淀或者過(guò)濾的方法進(jìn)行還原。Wang等[64]改進(jìn)了上述裝置，將較小的毛細(xì)管插進(jìn)另一毛細(xì)管，并與錐孔對(duì)齊以減少兩分散相之間的距離，消除流動(dòng)條件的干擾。他們利用該裝置成功合成了不同結(jié)構(gòu)的單分散性中空水凝膠微球，并通過(guò)調(diào)節(jié)三相流速和CO2含量分別實(shí)現(xiàn)對(duì)雙乳液滴結(jié)構(gòu)及尺寸的精確調(diào)控。

Liu等[65]利用毛細(xì)管微流控系統(tǒng)合成了對(duì)Pb2+具有選擇性吸附和分隔功能的智能核殼微球（圖4A， B）。合成的PNB核殼型微球能選擇性吸附Pb2+并與其合并為穩(wěn)定的B18C6Am / Pb2+主客體復(fù)合物微球。該種微球?qū)b2+的吸附能力隨溫度的升高而降低，這是由B18C6Am/Pb2+復(fù)合物的成形常數(shù)減小引起的。內(nèi)部獨(dú)立的磁性Fe3O4內(nèi)核保證了對(duì)Pb2+有吸附功能的微球能通過(guò)外加磁場(chǎng)作用被迅速?gòu)奶幚硪褐蟹蛛x出來(lái)，而且吸附Pb2+的磁性微球通過(guò)提高操作溫度和去離子水沖洗便可實(shí)現(xiàn)再生。

利用一種可移除的助溶劑（DEE）將合成的穩(wěn)定親脂性碳?xì)浠衔铮∟Ps）直接混入脂性PFCs中，成功消除了耗時(shí)長(zhǎng)和需對(duì)包含在PFCs中的NP表面進(jìn)行特異性修飾等步驟。隨后以合成的NPDEE/PFC溶液為連續(xù)相，水為離散相通過(guò)微流控系統(tǒng)合成了混合DEE的單分散性NPPFC前驅(qū)體液滴，再通過(guò)溶解和蒸發(fā)移除DEE，最后獲得尺寸遠(yuǎn)小于微流控系統(tǒng)所限制的最小尺寸，并用NPs標(biāo)記的單分散性PFC微乳液滴（圖4C， D）。實(shí)現(xiàn)了微乳滴尺寸隨先驅(qū)體液滴中PFC濃度的縮放，且當(dāng)DEE移除后液滴中量子點(diǎn)（QDs）仍保持原位，這為合成用于醫(yī)療成像、癌癥檢測(cè)和治療的新型NPPFC混合劑提供了重要平臺(tái)。

3.1.3Janus及不同形貌微粒Janus顆粒最早由Gennes等[67]提出，是指微顆粒中表面積大致相同的兩個(gè)區(qū)域擁有不同的化學(xué)性質(zhì)、極性、穩(wěn)定性等的多功能微粒，目前這一概念已擴(kuò)展到不同區(qū)域包含不同組分的多種分段式非對(duì)稱結(jié)構(gòu)材料[68]（圖5A），已有學(xué)者就微流控法合成Janus及雜化Janus微粒進(jìn)行了廣泛研究[69～75]。

通常， 微顆粒的尺寸和形貌是影響其功能實(shí)現(xiàn)與否的關(guān)鍵因素，相較于傳統(tǒng)方法，微流控液滴技術(shù)在制備尺寸、形貌精確可控的微顆粒方面展現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。Dendukuri等[76]將一股含光敏劑聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）的流體注入矩形PDMS基微通道，同時(shí)暴露在可控脈沖的紫外光下，通過(guò)巧妙地設(shè)計(jì)掩膜，制備了一系列不同形貌的功能化凝膠微粒（圖5B）。還有學(xué)者基于微流控液滴技術(shù)合成類(lèi)球形[68]、棒狀[69]、面包圈形[77]等不同結(jié)構(gòu)和形貌的微顆粒展開(kāi)了深入研究。

以葵花籽油作為連續(xù)相，以包含F(xiàn)e3+/Fe2+的殼聚糖混合液為分散相，通過(guò)自制的十字形微通道一步式合成了磁性殼聚糖液滴。再將其滴入NaO溶液中進(jìn)行固化、離心，最終獲得尾狀氧化鐵殼聚糖復(fù)合顆粒。這種顆粒具有較高的包封率和較快的釋放率，廣泛應(yīng)用于磁響應(yīng)性藥物載體、磁共振成像（MRI）促進(jìn)劑等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。Lin等[79] 利用類(lèi)似結(jié)構(gòu)，以海藻酸鈉水溶液作為分散相，葵花籽油為連續(xù)相合成了尾狀海藻酸鈣微粒，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)交聯(lián)劑氯化鈣的濃度減小和海藻酸鹽粘度增大時(shí)，顆粒的長(zhǎng)度和直徑均增加。他們還對(duì)比了尾狀與球狀海藻鹽酸顆粒對(duì)于氨芐青霉素藥物釋放行為的影響，發(fā)現(xiàn)尾狀較球狀海藻鹽酸顆粒的釋放速度高，且隨時(shí)間增加這種效果更加明顯。

3.1.4核殼型及微膠囊顆粒

Goran等[80]采用玻璃毛細(xì)管微流控系統(tǒng)，探究了液相流率對(duì)合成微乳滴尺寸、單分散性和殼層厚度的影響，并通過(guò)控制流型轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)對(duì)合成復(fù)乳液滴形貌及內(nèi)部腔室結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，有效克服了PDMS基微流控裝置化學(xué)強(qiáng)度不高、易發(fā)生溶脹作用和不易實(shí)現(xiàn)表層屬性功能化調(diào)控等缺陷。合成的微乳滴再通過(guò)聚合作用，獲得球形、非球形、核殼型聚合物微粒，以及基于溶劑蒸發(fā)法自組裝為包含可溶性雙親分子/微粒的多腔室微膠囊，該技術(shù)在合成新一代功能性囊膜材料方面發(fā)揮了顯著作用。Polenz等[81]利用類(lèi)似的微流控裝置，以含胺的水相和含異氰酸酯的油相合成的復(fù)乳液滴為模板合成了單分散性聚脲微膠囊（PUMCs），還發(fā)現(xiàn)PUMCs的殼層厚度主要依賴于胺在所用油相中的溶解度，這為合成殼層厚度的可調(diào)范圍在10m的PUMCs提供了一種便捷、高效的操作機(jī)制。

uang等[82]設(shè)計(jì)了一種堅(jiān)固且易于組裝的毛細(xì)管微流控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)模式由滴狀流向噴射流轉(zhuǎn)變時(shí)合成不同尺寸和封裝組合的復(fù)乳液滴。他們還探究了相對(duì)液滴尺寸與無(wú)量綱數(shù)（如We， Ca等）、相對(duì)流速間的相互關(guān)系。該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于： ①使用堅(jiān)固的UMWPE做支架，免除了粘合劑和昂貴連接件的使用； ②使用玻璃毛細(xì)管增強(qiáng)了微通道的耐腐性和耐漏性，且易于對(duì)破損或阻塞的毛細(xì)管進(jìn)行快速替換； ③能快速高效地合成大量接近單分散性的聚合物囊泡，用于疾病治理、藥物傳輸、蛋白質(zhì)存儲(chǔ)等方面。

Liu等[83]利用玻璃毛細(xì)管組成的微流控系統(tǒng)，以四重組分的（O1+O2）/W/O型復(fù)乳液滴為模板合成了一種新型的具有磁性和溫度雙重響應(yīng)特性的單分散性微膠囊。其包含一個(gè)熱反應(yīng)磁殼、一個(gè)偏心磁核和一個(gè)偏心油核，是實(shí)現(xiàn)疏水性物質(zhì)特定位點(diǎn)的靶向傳輸和特定方向控制釋放的有效載體（圖6）。微膠囊的N異丙基丙烯酰胺微凝膠殼能在溫度低于最低臨界溶液溫度（LCS）時(shí)保護(hù)封裝的疏水性藥物，而在環(huán)境溫度高于LCS時(shí)突然釋放。偏心油核能為封裝的疏水性藥物微粒提供更大的內(nèi)部空間，偏心磁核使微膠囊不僅能用磁性引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)向特定位點(diǎn)靶目標(biāo)的平移運(yùn)動(dòng)，而且能引導(dǎo)其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在特定方向的控釋。

基于微流控液滴技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了可控制備具有高度單分散性的核殼型微粒和多腔室結(jié)構(gòu)微膠囊，并通過(guò)改變液相流率、流質(zhì)物性參數(shù)和通道幾何構(gòu)型等實(shí)現(xiàn)了對(duì)微粒尺寸、形貌、單分散度和殼層厚度等的精確調(diào)控。但目前基于該技術(shù)合成的微顆粒種類(lèi)有限，主要集中于部分無(wú)機(jī)物、各類(lèi)水凝膠和無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合型微粒，極大地限制了其應(yīng)用范圍，還需進(jìn)一步拓展基于微流控液滴技術(shù)合成微顆粒的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和應(yīng)用領(lǐng)域。

3.2微流控液滴技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，基于微尺度流體優(yōu)異的流動(dòng)操作特性以及微流控系統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)的多樣性，微流控液滴技術(shù)在生命科學(xué)及醫(yī)藥分析領(lǐng)域的研究中也發(fā)揮了不可替代的作用。其中，在生物篩選和分段標(biāo)記，特異性蛋白和組織重構(gòu)以及細(xì)胞封裝與病毒檢測(cè)等方面均呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性。

3.2.1生物篩選和分段標(biāo)記Visaveliya等[84]利用微流控技術(shù)，以聚苯乙烯和含熒光基團(tuán)的乙酸乙酯或二氯甲烷的均勻混合液為油相，蒸餾水為聚焦水相，高通量、一步式合成了尺寸、顏色可調(diào)的具有熒光編碼功能的polyPGDA顆粒（圖7A）。并通過(guò)添加合適的表面活性劑和調(diào)節(jié)兩相流速比實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒尺寸的精確調(diào)控。合成的聚合物微粒不僅具有較寬的尺寸調(diào)節(jié)范圍，且能對(duì)內(nèi)嵌在微顆粒中多相熒光基團(tuán)的種類(lèi)和濃度進(jìn)行精確調(diào)控。圖7B為將不同顏色的染料注入polyPGDA微顆粒獲得的熒光微粒。

由于染色示蹤熒光粒子為實(shí)現(xiàn)生物分子在調(diào)查和診斷中的高通量分析提供了一種有效途徑，故該種微粒被廣泛應(yīng)用于生物篩選和分段標(biāo)記等方面。

3.2.2特異性蛋白和組織重構(gòu)akimoto等[85]利用微流控系統(tǒng)，結(jié)合反相懸浮交聯(lián)聚合技術(shù)和分子印痕法成功合成了對(duì)人血清蛋白具有特異性吸附功能的可調(diào)范圍在0.1～1.0 mm之間的單分散性凝膠微粒。該凝膠顆粒易于合成、穩(wěn)定性高、較傳統(tǒng)親和性抗體的保質(zhì)期長(zhǎng)，且無(wú)需添加任何抗體。Wu等[86]基于毛細(xì)管微流控系統(tǒng)，使用兩步硅化過(guò)程合成了單分散性海藻酸鈉/魚(yú)精蛋白/二氧化硅（APSi）混合微膠囊。該膠囊具有較高的封裝效應(yīng)、存儲(chǔ)穩(wěn)定性和快速傳質(zhì)特性，對(duì)牛血清白蛋白的封裝效率高達(dá)99%，且混合微殼的厚度超薄，僅為420 nm。

Yamada等[87]利用液滴在微流控系統(tǒng)中的不均衡性研發(fā)了一種合成單分散性高濃度膠原蛋白微顆粒的新方法（圖8A），以合成的固體微粒為支架，實(shí)現(xiàn)了微尺度下真實(shí)細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）組件的重構(gòu)，并探究了影響微粒尺寸和單分散性的各項(xiàng)因素，發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)節(jié)微顆粒和細(xì)胞的比例為1∶1時(shí)干細(xì)胞特異性較好，對(duì)肝功能有明顯改善作用。Griffin等[87]采用微流控裝配式的構(gòu)建模塊合成了支架組織，用于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)傷位置重塑和微創(chuàng)手術(shù)后的組織再生（圖8B），并通過(guò)調(diào)節(jié)微流控系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)以及液相流速實(shí)現(xiàn)了利用構(gòu)建模塊的尺寸對(duì)支架組織的微孔率和物理、化學(xué)性能的調(diào)控。

3.2.3細(xì)胞封裝與病毒檢測(cè)Akbari等[89]利用微流控系統(tǒng)結(jié)合改進(jìn)的內(nèi)部凝膠化方法制得封裝有細(xì)胞的海藻酸鈉液滴。再經(jīng)過(guò)洗滌和固化后得到單分散微粒，該顆粒直徑小至26 μm，卻有高達(dá)1 kz的細(xì)胞生存率，且細(xì)胞在顆粒中能繼續(xù)生長(zhǎng)。該裝置利用同向流動(dòng)的微流體來(lái)消除細(xì)胞與凝膠化試劑碳酸鈣粒子接觸而產(chǎn)生的損傷，并通過(guò)化學(xué)平衡來(lái)減小暴露于低p環(huán)境下對(duì)細(xì)胞造成的損傷。u等[90]利用不同的熒光染料對(duì)不同類(lèi)型的細(xì)胞進(jìn)行染色，隨后將其封裝在微液滴中，再將所得微乳滴注入一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的分揀裝置用以實(shí)現(xiàn)高倍顯微鏡下的細(xì)胞分析和在靠近焦平面處的細(xì)胞固定，還可通過(guò)雙色分揀實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種不同細(xì)胞進(jìn)行特異性收集和分析。

ao等[91]研發(fā)了一種基于微液滴技術(shù)并結(jié)合空斑試驗(yàn)和實(shí)時(shí)定量PCR技術(shù)的免培養(yǎng)型微流控系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)病毒感染性的快速、低成本和高精度定向檢測(cè)（圖9）。病毒復(fù)制和檢測(cè)均在微液滴中進(jìn)行，從而確保了單個(gè)感染事件的可靠性。他們將包含宿主細(xì)胞的單個(gè)病毒封裝在大量皮升尺度的微液滴中進(jìn)行孵化，利用單個(gè)病毒的復(fù)制周期緊隨液滴內(nèi)部基因特異性擴(kuò)增完成感染性檢測(cè)。隨后將合成的微乳滴與具有基因特異性PCR的混合物結(jié)合，當(dāng)目標(biāo)病原出現(xiàn)時(shí)發(fā)出熒光，再通過(guò)專(zhuān)門(mén)的液滴閱讀器進(jìn)行量化，確定病毒感染的數(shù)量。他們還與傳統(tǒng)空斑試驗(yàn)結(jié)果做了對(duì)照，通過(guò)測(cè)定單個(gè)病毒中和抗體的有效性進(jìn)一步證實(shí)了該技術(shù)的實(shí)用性。這種方法還適用于對(duì)細(xì)菌、真菌等其它病原體感染性的測(cè)定。

與傳統(tǒng)生物分析方法相比，微流控技術(shù)易于進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，除實(shí)現(xiàn)在體外模擬細(xì)胞所處的復(fù)雜微環(huán)境，完成定量檢測(cè)和分析之外，還為完成活細(xì)胞的定位、處理和觀察提供了一種新途徑。但現(xiàn)階段的研究工作多針對(duì)單一結(jié)構(gòu)的微通道展開(kāi)，微流控裝置的重復(fù)利用率不高，微液滴/微顆粒的生產(chǎn)速率較低。因此，未來(lái)如何降低制備成本、提高合成效率，實(shí)現(xiàn)批量化、可控式制備結(jié)構(gòu)形貌和尺寸規(guī)格精確可控的微液滴/微顆粒，進(jìn)而廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)和疾病治療等還有待于深入研究。

3.3微流控液滴技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用

通過(guò)微流控液滴技術(shù)可獲得微乳滴、固態(tài)脂質(zhì)微顆粒、自組裝體以及包含一個(gè)或多個(gè)內(nèi)核的微膠囊等多種類(lèi)型的食品結(jié)構(gòu)。它們除了可用于制作低脂肪食品、修飾食品的質(zhì)地和味道、避免化合物氧化，還可用作活性化合物或功能化合物等的有效封裝和控釋?zhuān)乐股锩负臀改c道內(nèi)部其它不利條件（諸如離子濃度和p值等）的干擾[92]。因此，在食品行業(yè)中，微流控液滴技術(shù)是合成結(jié)構(gòu)形貌和尺寸規(guī)格精確可調(diào)的微乳滴或微顆粒，進(jìn)而用于食品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能調(diào)控等的有效手段。

3.3.1微乳滴微乳滴在食品加工中扮演重要角色[93～95]，例如： O/W型微乳滴用于合成蛋黃醬和調(diào)味品，而W/O型微乳滴用于合成黃油、人造奶油、加工酸奶和乳酪或構(gòu)建冰激凌底層結(jié)構(gòu)等。目前，傳統(tǒng)的食品合成方法（如： 高速攪拌或快速混合等）無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)微乳滴粒徑分布的精確調(diào)控，且合成的微乳滴單分散度不高。此外，為了加速液滴破碎，系統(tǒng)中引入的強(qiáng)剪切力還會(huì)造成蛋白質(zhì)變性、降解或者電熱/切應(yīng)變敏感化合物的活性降低。而微流控技術(shù)能夠便捷、高效地獲得粒徑分布在幾十到數(shù)百微米之間具有高度單分散性的微乳滴或微顆粒，實(shí)現(xiàn)活性組分等的有效封裝，故在食品加工中得到重要應(yīng)用。

Okushima等[96]通過(guò)包含兩個(gè)連續(xù)型結(jié)構(gòu)的微通道，利用“兩步式”液滴生成法合成了單分散性W/O/W型雙重微乳滴（圖10A），并通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)/外部液滴的分裂速率實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴內(nèi)部包含微乳滴數(shù)目的精確調(diào)控。他們又將第一步合成中的型結(jié)構(gòu)換為十字交叉型獲得了內(nèi)部包含兩種液相的多重微乳滴。Abate等[97]在同一個(gè)微通道中設(shè)置多個(gè)連續(xù)的十字交叉結(jié)構(gòu)，并在不同的交叉口處交替改變通道潤(rùn)濕性合成了雙重、三重或更多重?cái)?shù)的微乳滴（圖10B），還通過(guò)控制流型實(shí)現(xiàn)對(duì)微乳滴的調(diào)控。這種方法適用于一般不易發(fā)生分離的粘彈性流體的破碎，但對(duì)裝置的潤(rùn)濕性進(jìn)行精確控制以確保對(duì)親/疏水相的封裝會(huì)加大微流控系統(tǒng)的制造難度，所以，現(xiàn)階段玻璃毛細(xì)管微流控系統(tǒng)在合成殼層厚度可控的核殼結(jié)構(gòu)或多腔室多組分的復(fù)乳液滴方面的應(yīng)用更為普遍[98，99]。

3.3.2微顆粒基于微流控液滴技術(shù)合成的單/多重微乳滴再經(jīng)過(guò)固化便能獲得幾微米至數(shù)百微米范圍內(nèi)的單分散性微顆粒[100]，其具有更窄的粒徑分布和更均勻的力學(xué)性能[101]。微乳滴的固化增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并保護(hù)其內(nèi)部化合物免受外部媒介（如： 氧氣、光照和反應(yīng)環(huán)境等）的干擾。另外，將微顆粒暴露在特定條件下（如： 溫度、P、活性酶等）能實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部化合物在特定位置的釋放。

Shintaku等[102]基于微流控液滴技術(shù)，使包含生物高聚物溶液的液滴與另一個(gè)包含交聯(lián)離子的液滴碰撞融合實(shí)現(xiàn)了凝膠化（圖11A）。這種方法無(wú)需向連續(xù)油相中添加表面活性劑即可達(dá)到較好的融合效果，缺點(diǎn)是對(duì)液滴碰撞概率的依賴性較高。另外，當(dāng)凝膠化出現(xiàn)在兩相液滴融合之后，但在融合后的新液滴達(dá)到穩(wěn)定之前時(shí)，將難以獲得界限清晰且均質(zhì)的微球，造成微粒尺寸的單分散性不高，變形系數(shù)較大。Ren等[103]采用微流控法合成液滴后，在下游添加交聯(lián)劑水溶液使得生物高聚物和交聯(lián)離子在水、油流柱的交界面發(fā)生反應(yīng)實(shí)現(xiàn)凝膠化（圖11B）。

在利用微流控液滴技術(shù)進(jìn)行食品加工時(shí)，由于整個(gè)操作過(guò)程都是在嚴(yán)格的層流條件下進(jìn)行的，故非常適于對(duì)其流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行精確調(diào)控。但是目前的研究主要聚焦于對(duì)合成微粒尺寸、形貌、單分散度和內(nèi)部腔室結(jié)構(gòu)等的設(shè)計(jì)和調(diào)控，而對(duì)微乳滴/微顆粒生成過(guò)程中涉及的力學(xué)原理、液相流動(dòng)規(guī)律以及液液相界面的反應(yīng)機(jī)理和傳質(zhì)過(guò)程等的研究還較缺乏。如何利用微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)食品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生物活性成分的可控封裝和控釋以及結(jié)構(gòu)敏感型食品材料的加工等還需進(jìn)一步的研究。

4結(jié) 論

本文概述了微流控液滴技術(shù)的基本原理、液滴生成方式及其基本操控，比較了傳統(tǒng)微液滴制備法與微流控合成法的異同，介紹了近年來(lái)微流控液滴技術(shù)在功能材料合成、生物醫(yī)藥和食品加工等領(lǐng)域中的最新研究進(jìn)展，主要得出以下結(jié)論： （1）微流控液滴技術(shù)具有精確可控、操作簡(jiǎn)便和易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，有效克服了傳統(tǒng)制備方法的不足，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微顆粒尺寸、形貌、單分散性和內(nèi)部腔室結(jié)構(gòu)等的精確控制，為合成具有特殊結(jié)構(gòu)形貌和功能特性的多組分復(fù)合結(jié)構(gòu)微液滴/微顆粒提供了可能。（2）微流控液滴技術(shù)在功能材料合成、生物醫(yī)藥和食品加工等領(lǐng)域已展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。為進(jìn)一步促進(jìn)該技術(shù)在藥物傳輸、細(xì)胞封裝、化學(xué)分析、疾病治療等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還需要系統(tǒng)開(kāi)展有關(guān)微液滴合成及其固化過(guò)程中力學(xué)原理和流動(dòng)特性等方面的研究。（3）微流控液滴技術(shù)的研究目前尚處于起步階段，合成微液滴的尺寸形貌和結(jié)構(gòu)功能等的調(diào)控范圍還不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。因此，如何降低制備成本，提高微乳滴的合成效率，以更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更適用于實(shí)際生產(chǎn)的方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)微液滴/微顆粒的批量化制備還有待于進(jìn)一步研究。

AbstractMicrodroplets are widely used in the fields of drug controlled release， virus detection， synthetic of particulate materials， catalysts and so on due to their small size， large surface area， high speed， high throughput， uniform size， closed system， internal stability and other characteristics. he emergence and development of microfluidics technology provide a new platform for the generation and precise manipulation of sizecontrolled microdroplets with different structures and functional characteristics. he fundamentals， generation and manipulation of dropletbased microfluidics technology are introduced. Similarities and differences of droplets' conventional preparation methods and dropletbased microfluidics technology are compared and analyzed. Finally， the applications of dropletbased microfluidics for the synthesis of functional materials， biomedicine and design of food structure etc. are comprehensively presented. In addition， the potential value and development direction of dropbased microfluidics are discussed and forecasted.

KeywordsMicrofluidics technology； Microdroplet； Droplet manipulation； Microchannel； Review