基于液滴微流控技术的复合乳粒形貌调控

傅宥铱, 张 伟, 陈 强, 易 勇, 张占文

基于液滴微流控技术的复合乳粒形貌调控

傅宥铱1,2, 张 伟1, 陈 强1, 易 勇2, 张占文1

(1. 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900;2. 西南科技大学 材料科学与工程学院, 四川 绵阳 621010)

针对复合乳粒形貌结构难以精确调控的问题，提出一种基于微流控技术的“两步法”同轴乳粒发生装置来实现复合乳粒尺寸形貌精确制备的方法。研究三相流体的体积流量对复合乳粒尺寸及内液滴数目的影响规律，并依据流体流量与液滴体积之间的质量守恒，实现复合乳粒内液滴数目的精准预测；通过复合乳粒内液滴数目的调控，实现复合乳粒形貌结构的精确调控，并获得乳粒形貌关于三相流体体积流量的流型图。结果表明：三相流体体积流量会直接影响复合乳粒的形貌结构。复合乳粒外径、内液滴数目与外相体积流量负相关，内径与内相和中间相体积流量的比值正相关；且内、中两相体积流量比值越小，乳粒形貌越趋于球形。

微流控；两步法；复合乳粒；形貌调控

1 前言

复合乳粒是一种复杂的多层嵌套体系，在乳粒中包含更小的乳粒，由于复合乳粒具有体系封闭、大小均匀、内部结构可设计、稳定等优点，在药物传递与运输[1]、化妆品行业、生物医学等领域[2-3]表现出巨大的应用潜力。随着复合乳粒应用领域的扩展，相关应用领域对复合乳粒尺寸、形貌要求逐渐严格。例如，球形水-油-水复合乳粒可被用于激光惯性约束聚变[4](inter confinement fusion, ICF)靶用聚合物微球的制备及球形光子晶体的制备；异形复合乳粒因特殊的内外部结构而被用于多功能微颗粒的制备。例如，在药物运输中，异形复合乳粒可存储较球形复合乳粒更多的封装材料，并可通过收缩来促进封装材料的输送与传递[5]；此外，在材料制备领域，异形复合乳粒体系为构建新型多孔吸附材料[6]提供优良模板。因此，实现复合乳粒尺寸、形貌结构的精确控制是满足复合乳粒多功能应用的前提。随着乳粒应用的不断扩展，乳粒的制备方法也在不断完善。在传统制备方法中，搅拌法[7]、界面聚合法[8-9]及喷雾法[10-11]均可实现复合乳粒的高通量制备，但这些方法制备的乳粒尺寸、形貌结构难以实现精确调控。液滴微流控技术[12-14]因具有优良的微流体操控能力在乳粒制备中倍受青睐，该技术在微尺度空间内精确操控多相流体的流动与分散，从而实现复合乳粒尺寸、形貌结构的精确调控。根据几何结构的不同，将微流控通道分为双T型微通道[15]、流动聚焦微通道[16]、同轴共流微通道[12,17]，双T型微通道由2个T型通道串联而成，乳粒在交叉口被错流剪切而产生，且通道每一级管道需经过相应的表面改性处理。流动聚焦微通道是在T型通道基础上改进而来，因其颈部具有剪切聚焦功能而适合制备小尺寸乳粒，外相流体环绕四周对内、中流量流体进行均匀剪切。同轴共流微通道中外相与内、中流量流体平行流动，均匀剪切，乳粒受力均匀，产生稳定，装置搭建简单灵活，可多级组装，对制备单分散性复合乳粒有很好的应用前景。而在同轴共流通道中，根据中间相与外相管道末端的相对位置，分为“一步法”和“两步法”通道[18]。其中，在“一步法”通道制备乳粒时，内相和中间相同时被外相剪切，一次性生成复合乳粒，存在两个界面，界面演化行为更加复杂；在“两步法”通道中，复合乳粒分两步产生，中间相剪切内相流体形成内液滴，内液滴随中间相流动，进一步在外相对中间相的剪切作用下形成复合乳粒。在已有研究中，Chu等[17]利用组装的同轴共流式微通道制备球形复合乳粒，通过调节体积流量及通道的多级结构制备出含不同内液滴数目的球形复合乳粒；Shao等[18]采用“一步法”和“两步法”的同轴乳粒发生器，综合研究了流体体积流量对球形复合乳粒尺寸的影响规律及其变化机理，并发现装置结构的微小差异会导致乳粒形成机制和尺寸控制规律的显著差异；Xu等[19]采用双同轴微流控通道系统研究了三相体积流量对微气泡、乳粒大小和内液滴数目的影响。Weitz等[5]以玻璃毛细管微流控装置制备的复合乳粒作为构建单分散胶质体的模板，并发现异形乳粒比球形乳粒聚集的密度更大，且后续操作中异形胶囊可存储更多的封装材料。具有特殊分层结构的复合乳粒被广泛应用于多孔材料的制备及油水分离[20]领域。然而，目前在复合乳粒的微流控构建研究中，多数研究集中在球形乳粒产生机理、尺寸调控及应用拓展方面，关于复合乳粒形貌结构调控规律的研究仍然缺乏。

为实现水-油-水复合乳粒尺寸、形貌结构的精确调控并获得乳粒形貌的变化规律，本研究采用“两步法”同轴共流式乳粒发生装置开展乳粒形貌调控研究。通过研究各相体积流量对复合乳粒内外径尺寸及内液滴数目的影响，依据流体体积流量与液滴体积之间的质量守恒，实现内液滴数目的精准预测及调控；通过调控复合乳粒内液滴尺寸及数目，实现水-油-水复合乳粒的形貌结构的精确控制。

2 实验部分

2.1 实验装置

图1 “两步法”同轴毛细管微通道实物图及示意图

该装置的优点是具有良好的同轴性，三相流体从同一方向进入，平行流动，外相流体对内、中流体均匀剪切，乳粒受力均匀，产生稳定。通道搭建简单灵活，易于操作。采用不同操作条件对水-油-水复合乳粒内外径尺寸及内液滴数目进行调控，进而实现水-油-水复合乳粒的形貌结构的精确可控制备。

2.2 实验试剂和仪器

2.3 乳粒的制备

将质量分数为2%的PVA水溶液、体积分数为1% HMPP和ETPTA混合溶液、质量分数为2% PVA水溶液分别作为内、中、外三相流体，依次装入5、5、50 mL的注射器并固定在注射泵上，将搭建好的发生器垂直固定在铁架台上，用管道连接。通过调节三相体积流量来调控复合乳粒形貌结构，收集不同体积流量下制备的复合乳粒并置于高精度光学显微镜下观测分析，如图2所示(所有实验均在室温下进行)。

图2 同轴乳粒发生器制备复合乳粒示意图

3 结果与讨论

通过改变三相流体的体积流量制备不同形貌结构的复合乳粒。研究三相流体的体积流量对复合乳粒内外径尺寸的影响规律，再通过调控内外径尺寸控制内液滴数目，进一步对复合乳粒的形貌结构进行调控，最后得到内含不同液滴数目的球形及异形复合乳粒。

3.1 三相体积流量对复合乳粒内外径尺寸的影响

在通道尺寸结构及三相溶液条件固定情况下，乳粒内外径尺寸主要取决于三相流体的体积流量。如图3所示为“两步法”制备乳粒过程中，三相体积流量对复合乳粒内外径尺寸的影响。探讨了当内、中两相体积流量之和(qd=q1+q2= 1 mL×h-1)恒定不变时，乳粒内径尺寸随外相体积流量q3的变化趋势，以及当外相体积流量不变，乳粒外径尺寸随内、中两相体积流量比值q1/q2变化的趋势。

如图3(a)所示，当内、中两相体积流量之和(qd=q1+q2=1 mL×h-1)恒定，且q1/q2不变时，复合乳粒内径与外相体积流量几乎无关；纵向来看，当外相体积流量不变，复合乳粒内径随q1/q2的增大而增大，根据流体流量与液滴体积的质量守恒关系，当内相体积流量增大，内液滴体积增大，进而内径增大。从图3(b)可知，当外相体积流量恒定时，乳粒外径与内、中两相体积流量比值几乎无关；纵向来看，当内、中两相体积流量比值恒定时，复合乳粒外径随外相体积流量增大而减小，外相体积流量增大，对乳粒的剪切力增大，因此外径尺寸减小。在此规律下，改变三相体积流量可调控复合乳粒内外径尺寸，同时调控壁厚大小，得到不同尺寸的复合乳粒。

图3 三相体积流量对复合乳粒内外径尺寸的影响

3.2 三相体积流量对乳粒内液滴数目的影响

基于三相体积流量对复合乳粒内外径尺寸的影响规律，进一步对内液滴数目进行调控。如图4所示为乳粒产生过程中，qd=q1+q2不同，q1/q2相同时，内液滴数目随外相体积流量的变化规律，以及内、中两相体积流量之和相同，比值不同时内液滴数目随外相体积流量的变化规律。

图4 内液滴数目随外相体积流量的变化规律

图4(a)、(b)、(c)表示复合乳粒产生过程中，内、中体积流量之和分别等于1、3、5 mL×h-1，内、中体积流量之比均等于1时内液滴数目随外相体积流量的变化规律。当内、中两相体积流量之比恒定不变，内液滴数目随外相体积流量的增大而减小；但内、中两相体积流量之和的大小对内液滴数目影响不大。图4(d)、(e)、(f)为复合乳粒产生过程中，内、中两相体积流量之和恒定为5 mL×h-1，内、中两相体积流量之比分别等于0.25、1、4时内液滴数目随外相体积流量的变化规律。当内、中两相体积流量之和恒定不变时，内液滴数目随外相体积流量的增大而减小；当内、中两相体积流量比值增大，内液滴数目随之减小。当复合乳粒内径减小，外径增大时，内液滴数目增多。由此可知，内液滴数目的调控依据是乳粒内外径尺寸的大小关系。因此，通过研究三相流体体积流量对复合乳粒内外径尺寸影响规律，得到三相体积流量与内液滴数目的关系如图5所示。利用通道内径对复合乳粒尺寸归一化，由此得到的归一化后的乳粒尺寸变化规律在不同通道中具有普适性，得到12与q1/q2、2/3与q3的线性关系图。

图5(a)、(b)实验数据具有较好的线性趋势，黑色实线是最佳拟合直线，图5(a)中拟合直线斜率1和截距1分别为0.402 95、0.864 16，图5(b)拟合直线斜率2和截距2分别为-8.918 9×10-4、1.005 29，方程分别为

(2)

根据流体体积流量q与液滴体积(为液滴直径)之间的质量守恒关系，可计算出一定时间内，液滴的形成个数，即式(3)。1和2分别为内液滴与外液滴的形成个数，通过内液滴与外液滴个数比得到式(4),代入拟合结果(1)、(2)，得到式(5)，由式(5)预测内液滴数目，同时与实验值比较，得到图5(c)。

3.3 三相体积流量对乳粒形貌结构(球形与异形)的影响

通过调控三相体积流量达到对乳粒内外径尺寸及内液滴数目的调控，进一步地，可对复合乳粒的形貌结构进行调控，得到球形与异形复合乳粒。通过光学显微镜Keyence观察到，复合乳粒除了呈现常见的球形，在某些体积流量条件下制备乳粒呈现出异形。乳粒流出通道被收集于装有2%(质量分数)PVA水溶液的表面皿中，且在未进行固化操作的情况下，复合乳粒呈现异形，内液滴数目至少为2。如图6所示为复合乳粒形貌相图及显微镜观测图，由图6(a)可知，当外相体积流量高于200 mL×h-1，复合乳粒基本只含一个内液滴（简称“一包一”），即：外相体积流量低于200 mL×h-1，乳粒才有可能呈现异形。而对于包含多个内液滴的乳粒来说，乳粒呈球形或异形主要取决于内液滴的大小，例如，大液滴中包含2个小液滴（简称“一包二”），当2个小液滴直径之和小于大液滴的直径，大液滴能够将小液滴完全包裹于其内，则整个乳粒呈现出球形，反之，乳粒呈异形。

图6 复合乳粒形貌相图及显微镜观测图(标尺均为500 μm)

图6(a)中圆形实心区域为球形乳粒区域，对应图6(c)中i、ii、iii乳粒图片，分别为含不同内液滴个数的球形乳粒；空心三角形区域为异形乳粒区域，对应图片iv、v、vi，代表3种不同形貌结构的异形乳粒，分别为厚壁θ型异形乳粒、薄壁θ型异形乳粒和Δ型异形乳粒。图6(b)为异形乳粒相图，由图6(a)中空心三角形区域细化而来，不同形状的符号代表不同形貌结构的异形乳粒，具体形貌与图6(d)对应。由图6(a)可知，外相在高体积流量下(≥300 mL×h-1)，不论内、中体积流量比值大小如何，均产生球形乳粒，这是由于高体积流量下剪切力增加，外相对于中间相的剪切使乳粒快速脱落，此时内液滴形成速度较慢，复合乳粒至多包含1个内液滴，因此乳粒只能呈现球形状；另外，当内、中体积流量比值小于0.25时，即内相体积流量很小，中间相体积流量大，流动快，此时内液滴体积小，能够以球形乳粒存在于中间相之中，不论外相体积流量高低，此时产生的乳粒均为球形乳粒；而对于异形乳粒，图6(b)中大致表明内、中体积流量比值为0.5～2.0，且外相体积流量为0～200 mL×h-1时均为异形乳粒，图6(d)详细展示了不同形貌结构的异形乳粒：首先，实心符号为过渡区域，实心三角形既包含球形也包含异形乳粒，实心圆形是一包二和一包三的过渡，实心五角星为一包三和一包四的过渡；空心符号代表只有一种形貌结构的乳粒(即：对应体积流量下稳定产生同种形貌结构的复合乳粒)。空心正方形、圆形、三角形分别为薄壁θ型、厚壁θ型及Δ型异形乳粒。3种不同形貌结构乳粒可通过调节三相体积流量得到。可见要得到内液滴数目较多的异形乳粒，外相体积流量要低(≤200 mL×h-1)，且内、中体积流量比值在1～2。

4 结论

本研究采用实验室自制同轴乳粒发生器来制备复合乳粒。该装置搭建简单灵活，可根据需求更换不同尺寸的通道。采用“两步法”制备具有高单分散性的水-油-水复合乳粒，制备出内含不同液滴数目的球形及异形复合乳粒。重点研究了三相体积流量对复合乳粒内外径尺寸及内液滴数目的影响规律，并依据流体流量与液滴体积之间的质量守恒关系，实现内液滴数目的精准预测；进一步通过对复合乳粒内液滴数目的调控，实现水-油-水复合乳粒形貌结构的精确调控，并获得乳粒形貌关于三相体积流量的流型图。实验结果表明：外相体积流量与复合乳粒外径成反比，但对乳粒内径几乎无影响；当外相恒定，随着内相与中间相体积流量比值的增加，复合乳粒内径也随之增加；当内相、中间相体积流量恒定时，外相体积流量越小(50 mL×h-1)，制备的复合乳粒中包含的内液滴数目越多(=4)，外相体积流量越大(400 mL×h-1)，复合乳粒中包含的液滴数目越少(=0)，乃至有实心乳粒的形成；当外相体积流量恒定，内、中两相体积流量比值越小，复合乳粒形貌越趋于球形，反之，复合乳粒形貌越趋于异形。本研究分析了三相体积流量对乳粒制备的内外径尺寸、内液滴数目及乳粒形貌的影响规律，为微流控技术中“两步法”同轴共流式可控制备复合乳粒提供了参考，丰富了复合乳粒的可控制备的基本物理特性研究。

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Morphology control of composite emulsion based on droplet microfluidic technology

FU You-yi1,2, ZHANG Wei1, CHEN Qiang1, YI Yong2, ZHANG Zhan-wen1

(1. Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China;2. School of Materials Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010, China)

Precise control of morphology and structure of composite emulsion has been widely studied. A "two-step" coaxial capillary emulsion generator based on microfluidic technology was proposed for accurate preparation of composite emulsion. Effects of volume flow rate of three-phase fluid on composite emulsion size and innermost droplet number were studied. The number of innermost droplets can be deduced accurately using the mass balance relationship between fluid flow rate and droplet volume. Furthermore, precise regulation of composite emulsion morphology was realized by controlling the number of innermost droplets, and the flow pattern diagram of emulsion morphology relevant to the three-phase rates was obtained. The results show that volume flow rate of three-phase fluid directly affects morphology and structure of the composite emulsion. The external diameter and the number of innermost droplets show a negative coefficient with the volume flow rate of the external phase, while the inner diameter shows a positive coefficient with the ratio of the volume flow rate of the inner phase and middle phase. Moreover, the morphology turned spherical with smaller volume flow ratio between inner phase and middle phase.

microfluidic; two-step; composite emulsion; morphology control

TB383；O6-339

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2022.03.014

1003-9015(2022)03-0419-07

2021-04-15；

2021-07-28。

国家自然科学基金(22002145，15703212)。

傅宥铱(1995-)，女，四川绵阳人，西南科技大学硕士生。

张占文，E-mail：bjzzw1973@163.com

傅宥铱, 张伟, 陈强, 易勇, 张占文. 基于液滴微流控技术的复合乳粒形貌调控[J]. 高校化学工程学报, 2022, 36(3): 419-425.

：FU You-yi, ZHANG Wei, CHEN Qiang, YI Yong, ZHANG Zhan-wen. Morphology control of composite emulsion based on droplet microfluidic technology[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2022, 36(3): 419-425.