蘇瑤瑤，李平凡，汪偉，2，巨曉潔，2，謝銳，2，劉壯，2，褚良銀，2

（1 四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065； 2 四川大學(xué)高分子材料工程國家重點(diǎn)實驗室，四川成都610065）

引 言

以功能材料為主導(dǎo)的新材料產(chǎn)業(yè)，被公認(rèn)為是全球最重要、發(fā)展最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。其中，功能微顆粒材料由于具有微型化、多功能化等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛用于化工、醫(yī)藥、生物、電子等領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常廣闊。微顆粒材料的微觀空間結(jié)構(gòu)和材料化學(xué)組成對其功能特性具有至關(guān)重要的作用。例如，具有多孔結(jié)構(gòu)的微顆?？梢蕴峁┒嗫紫抻蚩臻g用于藥物或相變材料包埋[1-2]以及細(xì)胞黏附和增殖[3]，亦可以提供大的功能比表面積用于物質(zhì)的吸附[4-5]，因而其在藥物遞送、相變儲能、吸附分離等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。而具有腔室結(jié)構(gòu)的微顆粒則可以提供封閉的腔室空間用于活性物質(zhì)(如藥物、酶等)的封裝保護(hù)，并通過囊壁中功能組分的物化性質(zhì)變化來實現(xiàn)封裝物的可控釋放[6-7]，因而其在物質(zhì)封裝、控制釋放、固定化酶反應(yīng)等領(lǐng)域具有重要作用。除了微觀結(jié)構(gòu)和組成外，微顆粒的功能特性亦取決于微顆粒的尺寸、形狀和均一性。例如，均一的尺寸和形狀對于微顆粒的組裝和堆積特性、微顆粒中物質(zhì)的封裝量及其釋放動力學(xué)等具有重要影響[8-11]，且有利于使得每個微顆粒均具有相同的結(jié)構(gòu)特征和功能特性。由此可見，可控構(gòu)建具有特定尺寸、結(jié)構(gòu)、組成和形狀的微顆粒材料對于其功能特性的調(diào)控強(qiáng)化以及新功能特性的設(shè)計具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的微顆粒制備技術(shù)如沉淀聚合、噴霧干燥、層層自組裝等，通常難以實現(xiàn)對具有均一可控尺寸，以及多樣化結(jié)構(gòu)、組成和形狀的功能微顆粒的可控構(gòu)建。相比于上述制備方法，自20世紀(jì)90 年代迅猛發(fā)展起來的微流控技術(shù)由于具有優(yōu)良的流體界面操控能力，可在微尺度空間精確操控多相流體的流動和分散，從而可控構(gòu)建多樣化的微尺度乳液液滴體系[12-14]；通過獨(dú)立精巧設(shè)計乳液液滴體系中的多個液相和界面的結(jié)構(gòu)和組成，可在乳液液滴微空間內(nèi)精確調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)和組成，進(jìn)而理性設(shè)計和可控構(gòu)建多樣化的新型功能微顆粒材料[6,15-17]。因此，微流控技術(shù)作為一種嶄新的材料制備技術(shù)平臺，已在基于乳液液滴體系來創(chuàng)新設(shè)計和可控構(gòu)建功能微顆粒材料方面展現(xiàn)出傳統(tǒng)技術(shù)無法比擬的創(chuàng)造性和優(yōu)越性。

鑒于微流控技術(shù)在功能微顆粒材料設(shè)計構(gòu)建方面展現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢，本文主要介紹了近年來基于微流控液滴模板法來可控構(gòu)建功能微顆粒材料的研究新進(jìn)展。文中主要關(guān)注于面向化工、醫(yī)藥、儲能、環(huán)境等領(lǐng)域的多樣化功能微顆粒材料；重點(diǎn)介紹了如何基于微流控乳液液滴模板的結(jié)構(gòu)組分設(shè)計來理性設(shè)計和可控構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)球形微顆粒、腔室結(jié)構(gòu)球形微顆粒以及多樣化結(jié)構(gòu)非球形微顆粒等功能材料；詳細(xì)探討了微顆粒的結(jié)構(gòu)組成與其功能之間的構(gòu)效關(guān)系；展望了微流控技術(shù)在創(chuàng)新設(shè)計和可控構(gòu)建功能微顆粒材料方面的未來發(fā)展趨勢，以期為具有特定功能的新型微顆粒材料的理性設(shè)計和可控構(gòu)建提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 微流控可控制備乳液液滴

1.1 微流控可控制備單乳液滴

微流控技術(shù)是在數(shù)十至數(shù)百微米的微小通道中處理或操縱微量體積(10-9～10-18L)流體的技術(shù)[18]。由于微流控技術(shù)可以在微尺度條件下精確操控多相流體的流動、分散、界面、傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)等，因而在材料制備、分析檢測、分離純化等多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。特別在材料制備領(lǐng)域，微流控技術(shù)可控產(chǎn)生的具有多樣化結(jié)構(gòu)和組成的乳液液滴體系為設(shè)計和構(gòu)建新型功能微顆粒材料提供了優(yōu)良的模板。通常來說，微流控裝置中乳液液滴的產(chǎn)生主要是利用不相溶液體間的剪切作用來實現(xiàn)。常見的用于制備乳液液滴的微流控裝置主要包括具有3D微通道結(jié)構(gòu)的微流控裝置和2D微通道結(jié)構(gòu)的微流控裝置，其用于產(chǎn)生液滴的微通道結(jié)構(gòu)主要有同軸共流動型結(jié)構(gòu)(co-flow)、十字流動型結(jié)構(gòu)(cross-junction)和T形流動型結(jié)構(gòu)(T-junction)等[15]。

典型的具有3D 微通道結(jié)構(gòu)的微流控裝置主要由圓形玻璃毛細(xì)管和方形玻璃毛細(xì)管組裝而成[13]。其中，圓形毛細(xì)管一端經(jīng)加工后形成錐口，并插入方形毛細(xì)管內(nèi)進(jìn)行同軸組裝。圓形玻璃毛細(xì)管的外徑和方形玻璃毛細(xì)管的內(nèi)徑相匹配，從而保證了所組裝的玻璃毛細(xì)管的共軸性。如圖1(a)所示為具有同軸共流動型結(jié)構(gòu)的玻璃毛細(xì)管微流控裝置。當(dāng)該裝置用于乳液制備時，將作為分散相的一種液體由圓形毛細(xì)管中注入，而將作為連續(xù)相的另一種液體由方形毛細(xì)管與圓形毛細(xì)管之間的間隙處注入；當(dāng)這兩種互不相溶的液體同向流動至圓形毛細(xì)管的錐口處時，從錐口處流出的分散相液體將在連續(xù)相液體的剪切作用下斷裂形成液滴。而典型的具有2D 微通道結(jié)構(gòu)的微流控裝置主要利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)[19]、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、玻片[20-21]等作為基材，通過軟光刻、精密銑削加工等技術(shù)在基材上構(gòu)建微通道結(jié)構(gòu)。如圖1(b)所示為具有十字流動型結(jié)構(gòu)的2D 微通道微流控裝置；其中，分散相液體由微通道A 流入，而連續(xù)相液體則由微通道B 和C 流入；當(dāng)這兩種互不相溶的液體在十字形交匯處相遇時，分散相液體將在聚焦流動的連續(xù)相液體的剪切作用下斷裂形成單分散的乳液液滴。如圖1(c)所示為具有T字形流動型結(jié)構(gòu)的2D微通道微流控裝置；相似地，在該裝置中由微通道B 流入的分散相液體將在T 字形交匯處受到微通道A 中的連續(xù)相液體的剪切作用，從而形成單分散的乳液液滴。由于乳液體系是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，為了提高其穩(wěn)定性，通常需要在連續(xù)相液體中加入兩親性的表面活性劑或者納米顆粒，使其排布于液相界面上起到降低界面張力、穩(wěn)定液滴界面的作用。此外，在具有3D 微通道結(jié)構(gòu)的玻璃毛細(xì)管微流控裝置中，分散相液體從錐口流出后，其四周均被連續(xù)相液體環(huán)繞，不會接觸到微通道壁面，因而一般不需要對玻璃毛細(xì)管微流控裝置的微通道壁面進(jìn)行親疏水改性，即可方便地將其用于不同類型(如W/O 和O/W 型)乳液液滴的制備。而在具有2D 微通道結(jié)構(gòu)的微流控裝置中，分散相和連續(xù)相液體均會與微通道壁面相接觸，為了更穩(wěn)定地形成乳液液滴，需要根據(jù)所形成的乳液液滴類型(如W/O 或O/W 型)分別對微通道的不同部位進(jìn)行選擇性的親疏水改性。

相比于傳統(tǒng)的攪拌制乳法或者膜乳化法同時生成大量液滴的過程，在該微流控乳化過程中一次僅形成一個液滴，因而通過恒流泵或恒壓泵分別調(diào)控連續(xù)相和分散相液體的流速，可以在微流控裝置中形成尺寸可控的均一乳液液滴。通常使用偏差系數(shù)(CV 值)來描述液滴尺寸的單分散性，并將直徑的CV 值小于5%的液滴認(rèn)為是高度單分散的。利用微流控技術(shù)，能可控地產(chǎn)生尺寸從毫米尺度到亞微米尺度的單分散乳液液滴。而通過改變各液相流速或者玻璃毛細(xì)管中微通道的尺寸，還可以在保證單分散性的前提下，靈活調(diào)控液滴的尺寸。在微流控制備乳液液滴的過程中，各液相的物理性質(zhì)、微通道的尺寸和幾何結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)等均對液滴形成過程具有重要影響。比如，在同軸共流動型結(jié)構(gòu)中，連續(xù)相液體的黏度(ηc)和流速(uc)、分散相液體的密度(ρd)和流速(ud)以及圓形玻璃毛細(xì)管的錐口尺寸(dtip)、連續(xù)相和分散相液體之間的界面張力(γ)等都是影響液滴尺寸及尺寸分布的重要因素。通常來說，隨著微通道尺寸的減小以及連續(xù)相液體流速的增大，液滴的尺寸將逐漸減小；而隨著分散相液體流速的增大，則液滴的尺寸將逐漸增大。同時，黏度和界面張力也是影響液滴形成的兩個重要參數(shù)，因為微通道中液滴的形成涉及液滴上界面張力和剪切應(yīng)力的平衡。通常，上述影響因素可以歸結(jié)為兩個典型的無量綱量，即毛細(xì)管數(shù)(Cc=ηcuc/γ)和Weber 數(shù)(Wd=ρddtipud2/γ)；研究發(fā)現(xiàn)，這兩個無量綱量影響了液滴形成過程中液滴流和噴射流兩種乳液形成模式之間的轉(zhuǎn)變[22-23]。在噴射流模式中，所形成的乳液液滴尺寸更小，但尺寸分布更寬、CV 值更大；而液滴流模式雖會形成較大的乳液液滴，但其尺寸分布更窄、CV值更小，單分散性更好[23]。

1.2 微流控可控制備多重乳液液滴

微流控技術(shù)在制備乳液液滴方面具有高度的可控性和可升級拓展特性。通過將用于產(chǎn)生液滴的同軸共流動型結(jié)構(gòu)、十字流動型結(jié)構(gòu)和T 形流動型結(jié)構(gòu)等微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合連接，則可以操控更多種液相的流動和分散，從而制備具有液滴嵌套液滴結(jié)構(gòu)的多重乳液液滴[12-13,21]。

如圖1(d)所示為具有兩個串聯(lián)的同軸共流動型結(jié)構(gòu)的兩級玻璃毛細(xì)管微流控裝置[13]。在該裝置的第一級同軸共流動型微通道結(jié)構(gòu)中，內(nèi)相液體首先被中間相液體剪切形成單分散乳液液滴；該內(nèi)相液滴隨著中間相液體一同流入下一級同軸共流動型結(jié)構(gòu)的圓形玻璃毛細(xì)管中，同時，攜帶內(nèi)相液滴的中間相液體將在錐口處進(jìn)一步被外相液體剪切形成液滴。此時，內(nèi)相液滴將被封裝入所形成的中間相液滴中，形成液滴包含液滴的雙重乳液。類似地，當(dāng)串聯(lián)兩個十字流動型結(jié)構(gòu)時，所得到兩級微流控裝置亦能通過兩步乳化過程制備雙重乳液[圖1(e)][21]。所制得的雙重乳液中，內(nèi)、外液滴的尺寸可分別通過調(diào)控各液相的流速來進(jìn)行調(diào)控；同時，通過調(diào)控各液相流速來調(diào)節(jié)兩級微通道結(jié)構(gòu)中的液滴產(chǎn)生頻率，可以精確控制雙重乳液液滴所含的內(nèi)部液滴數(shù)目。例如，當(dāng)單位時間內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)相液滴的數(shù)目是中間相液滴數(shù)目的兩倍時，所形成的每個雙重乳液液滴中都將包含有兩個內(nèi)相液滴。

除了上述串聯(lián)連接方式外，通過將用于液滴產(chǎn)生的微通道結(jié)構(gòu)并聯(lián)連接，再將該并聯(lián)結(jié)構(gòu)與另一個用于液滴產(chǎn)生的微通道結(jié)構(gòu)串聯(lián)連接，則可以組裝構(gòu)建得到用于制備內(nèi)含不同組分液滴的雙重乳液的模塊化微流控裝置。如圖1(f)所示為將三個同軸共流動型結(jié)構(gòu)作為液滴產(chǎn)生單元模塊，通過其并聯(lián)和串聯(lián)組裝構(gòu)建的模塊化微流控裝置[12]。其中，通過Y字形微通道并聯(lián)連接的兩個同軸共流動型結(jié)構(gòu)可用于并行產(chǎn)生兩種不同組分的內(nèi)相液滴；當(dāng)這兩種內(nèi)相液滴經(jīng)Y字形微通道匯流到下一級串聯(lián)的同軸共流動型結(jié)構(gòu)中時，其進(jìn)一步被封裝到所形成的中間相液滴中，從而制備得到內(nèi)含兩種不同內(nèi)相液滴的多組分雙重乳液。同樣地，基于兩級十字流動型結(jié)構(gòu)微流控裝置，通過利用第一級十字流動型結(jié)構(gòu)的微通道A 和微通道B分別交替產(chǎn)生兩種不同的內(nèi)相液滴，再將其在第二級十字流動型結(jié)構(gòu)中封裝入中間相液滴中，亦可制備得到內(nèi)含兩種不同液滴的多組分雙重乳液[圖1(g)][21]。在上述多組分雙重乳液中，通過調(diào)控各液相流速以及微通道尺寸，可以靈活調(diào)節(jié)雙重乳液中不同種類液滴的數(shù)目、比例和尺寸。同時注意到，在圖1(f)所示的微流控裝置中，兩個并聯(lián)的液滴產(chǎn)生單元模塊中產(chǎn)生的液滴分別是由該液滴產(chǎn)生單元模塊中的中間相液體獨(dú)立剪切而成的；而在圖1(g)所示的微流控裝置中，第一級十字形結(jié)構(gòu)中兩種液滴的形成則是由同一微通道中的同一種中間相液體剪切而成的。由于并聯(lián)的液滴產(chǎn)生單元模塊具有很好的獨(dú)立性，因而可獨(dú)立、靈活地調(diào)控并聯(lián)的液滴產(chǎn)生單元模塊中微通道的尺寸以及各液相的流速，來分別對其液滴產(chǎn)生過程進(jìn)行調(diào)控。因此，相比于圖1(g)所示的微流控裝置，圖1(f)所示的模塊化微流控裝置在調(diào)控雙重乳液內(nèi)部兩種不同液滴的尺寸、數(shù)目和比例方面具有更大的獨(dú)立性和靈活性。此外，通過在模塊化微流控裝置中進(jìn)一步利用Y字形微通道并聯(lián)更多的液滴產(chǎn)生單元模塊，還可以在雙重乳液中引入更多種的液滴，實現(xiàn)多樣化多組分雙重乳液的靈活可控制備[12]。進(jìn)一步地，通過串、并聯(lián)更多的微流控裝置結(jié)構(gòu)，還可以可控制備結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的三重乳液、四重乳液、五重乳液等[12-13,19,24]，因而微流控技術(shù)在乳液液滴可控構(gòu)建方面展現(xiàn)出了傳統(tǒng)乳液制備技術(shù)所無法比擬的獨(dú)特性和創(chuàng)造性。

2 微流控液滴模板法可控構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)球形微顆粒

2.1 單一多孔結(jié)構(gòu)球形微顆粒

多孔微顆粒在吸附、催化、控釋、儲能等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。比如，在吸附分離方面，微顆粒的多孔結(jié)構(gòu)可為目標(biāo)分子與微顆粒之間的相互作用提供大的功能比表面積；在相變儲能方面，微顆粒的多孔結(jié)構(gòu)可用于相變材料的限域分隔封裝，以有效抑制相分離和過冷度；在藥物控釋方面，微顆粒的多孔結(jié)構(gòu)可有效調(diào)控微顆粒中所裝載藥物分子的釋放傳質(zhì)速率；在催化反應(yīng)方面，微顆粒的多孔結(jié)構(gòu)可為催化劑的負(fù)載以及反應(yīng)物與催化劑之間的接觸提供大的功能比表面積等。通常來說，通過將用于構(gòu)建微顆粒的材料溶解或分散到液相中，由微流控技術(shù)制得均一乳液液滴，則可作為合成功能微顆粒的模板。由于微流控技術(shù)可以靈活操控水溶液和不同油相溶液(如有機(jī)溶劑等)等多種液相來制備均一乳液液滴，因而大部分的水溶性或油溶性材料可溶解于液相中來制備乳液液滴模板。而對于不能溶解于液相的材料(如無機(jī)功能納米顆粒)，則可以通過基于超聲處理、表面活性劑修飾、表面電荷修飾等方法將其有效分散于液相中用于制備乳液液滴模板。由于基于微流控技術(shù)制備的乳液液滴在微空間上具有可控的相分離結(jié)構(gòu)，因此其在作為微顆粒的合成模板時，可通過分隔的油相、水相以及兩相間的界面來實現(xiàn)不同功能材料在液滴中的精確分布，從而可控構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)、組成和功能的微顆粒材料[15-17]。一般來說，圖1中所示的幾種不同結(jié)構(gòu)的微流控裝置均可用于制備乳液液滴模板，但是在此過程中還應(yīng)考慮微流控裝置材料對所用液相或材料(如有機(jī)溶液)的耐受性。比如，基于PDMS 的微流控裝置容易被乙醇、二氯甲烷等有機(jī)溶劑溶脹甚至溶解；而玻璃毛細(xì)管微流控裝置則對有機(jī)溶劑具有較好的耐受性。當(dāng)選用合適的微流控裝置制得乳液液滴模板后，可進(jìn)一步通過基于界面?zhèn)髻|(zhì)過程的交聯(lián)反應(yīng)、基于紫外光照或者熱引發(fā)的自由基聚合反應(yīng)以及基于溶劑交換或溶劑揮發(fā)的高分子沉積過程等多樣化的物理化學(xué)過程來將乳液液滴轉(zhuǎn)化為功能微顆粒，實現(xiàn)功能微顆粒的可控模板合成[15-17]。對于快速的液滴固化過程(如僅需數(shù)秒或者幾分鐘)，可以通過調(diào)控連續(xù)流動的液滴在微通道中的停留時間來在線合成得到功能微顆粒；而對于較慢的液滴固化過程(如需幾十分鐘甚至數(shù)小時)，則可通過將微流控裝置產(chǎn)生的乳液液滴收集到容器中后，再經(jīng)緩慢的固化過程制得功能微顆粒。

在制備功能微顆粒的基礎(chǔ)上，通過將自組裝的表面活性劑膠束或嵌段高分子[25-27]、膠體顆粒[28]、液滴[5,29]、氣泡[30]、細(xì)菌[31]、微球[32]等作為致孔模板加入到液相中來制備乳液液滴，則可以構(gòu)建得到具有納米尺度或微米尺度孔徑的多孔結(jié)構(gòu)的功能微顆粒。比如，通過微流控技術(shù)將含有致孔模板(如兩親分子組裝形成的膠束、納米顆粒或者液滴、微米顆?；蛞旱蔚?的液相乳化為單分散乳液液滴，再經(jīng)乳液液滴固化為微顆粒后，則可構(gòu)建得到孔徑與致孔模板相近的多孔結(jié)構(gòu)功能微顆粒。Mou 等[29]以內(nèi)含均質(zhì)乳化的微小油滴的(O/W)/O 乳液液滴作為模板，通過將乳液液滴收集至容器中后，再由紫外光照引發(fā)乳液液滴內(nèi)N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)單體發(fā)生自由基聚合反應(yīng)，首先構(gòu)建了含有大量微小油滴的聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)微顆粒；然后，利用PNIPAM 微顆粒的溫敏體積相變特性，通過升溫使其PNIPAM 高分子網(wǎng)絡(luò)發(fā)生收縮以擠出內(nèi)部包載的微小油滴，從而制得了具有類似海綿的開放式多孔結(jié)構(gòu)微顆粒[圖2(a)]。在構(gòu)建(O/W)/O 乳液液滴模板的過程中，為了穩(wěn)定乳液內(nèi)部大量的微小油滴的界面，在油滴相和水相中分別加入了表面活性劑聚甘油蓖麻醇酸酯和Pluronic F127，從而使得微小油滴不易合并，以便用于構(gòu)建微顆粒內(nèi)的多孔結(jié)構(gòu)。相比于不具備多孔結(jié)構(gòu)的PNIPAM 微顆粒，由于多孔結(jié)構(gòu)為微顆粒體積相變過程中水分子在PNIPAM 高分子網(wǎng)絡(luò)中的傳遞提供了快速傳質(zhì)通道，因此上述多孔結(jié)構(gòu)PNIPAM 微顆粒均可展現(xiàn)出更快的體積收縮/溶脹行為，實現(xiàn)了對功能微顆粒響應(yīng)速率的強(qiáng)化。

Li 等[1]基于微流控技術(shù)產(chǎn)生的單分散W/O 乳液液滴，通過利用液滴中自組裝的兩親分子作為致孔模板，經(jīng)界面水解/縮合反應(yīng)可控構(gòu)建了封裝有Na2SO4·10H2O的相變儲能多孔結(jié)構(gòu)SiO2微顆粒[圖2(b)]。該微顆粒的介孔結(jié)構(gòu)可有效用于Na2SO4·10H2O 相變材料的限域分隔封裝；同時，結(jié)合介孔結(jié)構(gòu)內(nèi)封裝的少量成核劑硼砂和晶習(xí)改變劑六偏磷酸鈉，該微顆?？捎行б种芅a2SO4·10H2O 相變過程中的過冷度大和相分離的問題，從而實現(xiàn)溫和溫度下的重復(fù)儲能和釋放。進(jìn)一步地，Li 等[33]基于上述微流控制備策略，先利用內(nèi)含磁性Fe3O4納米顆粒的W/O 乳液液滴構(gòu)建磁性介孔SiO2微顆粒，再利用多巴胺的黏附性和還原性在微顆粒底部涂覆多巴胺并還原得到Ag納米顆粒，從而制得了自驅(qū)動型多孔SiO2微顆粒[圖2(c)]。該微顆粒底部的Ag 納米顆?？梢苑纸馑械腍2O2產(chǎn)生O2氣泡，從而推動微顆粒向反方向快速運(yùn)動，促進(jìn)水中的混合傳質(zhì)；同時，微顆粒多孔結(jié)構(gòu)中的Fe3O4可催化H2O2分解產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的·OH 自由基，并通過Fenton 反應(yīng)實現(xiàn)對水中有機(jī)污染物羅丹明B的快速有效降解。

圖2 微流控制備單一多孔結(jié)構(gòu)球形微顆粒。具有海綿狀開放式多孔結(jié)構(gòu)的PNIPAM微顆粒(a)[29]；封裝Na2SO4·10H2O的介孔SiO2微顆粒(b)[1]；用于水中污染物催化降解的自驅(qū)動型磁性介孔SiO2微顆粒(c)[33]Fig.2 Microfluidic fabrication of porous spherical microparticles.PNIPAM microparticles with sponge-like open-celled porous structures(a)[29].Mesoporous SiO2 microparticles encapsulated with Na2SO4·10H2O(b)[1].Self-propelled mesoporous SiO2 microparticles for catalytic degradation of pollutants in water(c)[33]

2.2 分級式多孔結(jié)構(gòu)球形微顆粒

相對于采用單一致孔模板來構(gòu)建單一多孔結(jié)構(gòu)微顆粒，通過在微顆粒制備過程中耦合兩種不同的致孔模板，則可以構(gòu)建得到具有不同尺度孔結(jié)構(gòu)的分級式多孔結(jié)構(gòu)微顆粒。相比于僅具有單一尺度孔結(jié)構(gòu)的多孔微顆粒來說，具有分級式多孔結(jié)構(gòu)的微顆粒有望有效耦合不同尺度孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來實現(xiàn)性能強(qiáng)化。比如，納米級尺度的孔結(jié)構(gòu)可為微顆粒與物質(zhì)分子之間的相互作用提供大的功能表面積，而微米級尺度的孔結(jié)構(gòu)則可為物質(zhì)分子在多孔結(jié)構(gòu)中的傳遞提供快速傳質(zhì)通道。通過將納米級尺度的孔結(jié)構(gòu)與微米級尺度的孔結(jié)構(gòu)結(jié)合，可以在增大功能表面積的同時又強(qiáng)化傳質(zhì)過程，從而使得微顆粒獲得更好的綜合性能。基于微流控液滴制備技術(shù)，通過在乳液液滴中采用雙重模板致孔策略，可以實現(xiàn)分級式多孔結(jié)構(gòu)功能微顆粒的可控構(gòu)建。Zhang 等[4]利用均質(zhì)乳化得到的O1/W 乳液作為分散相，由微流控技術(shù)制得(O1/W)/O2乳液液滴作為模板，通過水解/縮合反應(yīng)構(gòu)建了尺寸均一的磁性分級式多孔SiO2微顆粒[圖3(a)、(b)]。同樣地，在該乳液液滴模板的O1相和W 相中分別加入了表面活性劑聚甘油蓖麻醇酸酯和Pluronic F127來穩(wěn)定微小油滴的界面。同時，在該乳液液滴中，采用了該均質(zhì)乳化的微小O1液滴和自組裝的表面活性劑膠束分別作為致孔模板，用于構(gòu)筑微顆粒中的大孔結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu)。該微顆粒中的介孔結(jié)構(gòu)可為水中污染物分子的吸附提供大的功能比表面積，而其孔徑為幾百納米的大孔結(jié)構(gòu)則可為污染物分子向多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的快速傳質(zhì)提供便利的通道。因此，該分級式多孔結(jié)構(gòu)微顆?？捎行я詈喜煌叨榷嗫捉Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，展現(xiàn)出比僅具有介孔結(jié)構(gòu)的SiO2微顆粒更快的吸附性能，實現(xiàn)了對水中有機(jī)染料(如亞甲基藍(lán))[圖3(c)]和重金屬離子(如Pb2+)的有效吸附。

圖3 微流控制備分級式多孔結(jié)構(gòu)球形微顆粒。磁性分級多孔SiO2微顆粒[(a),(b)]及其對水中亞甲基藍(lán)染料的吸附(圖中標(biāo)尺為1 cm)(c)[4]；以可控演化的雙重乳液為模板[(d),(e)]構(gòu)建的分級式多孔聚合物微顆粒及其斷面多孔結(jié)構(gòu)(f)[34]Fig.3 Microfluidic fabrication of hierarchical porous spherical microparticles.Magnetic hierarchical porous SiO2 microparticles[(a),(b)]and their adsorption of methylene blue dyes in water(scale bar is 1 cm)(c)[4].Controllably evolved double emulsions[(d),(e)]for template synthesis of hierarchical porous SiO2 microparticles and the porous structures in their cross-section(f)[34]

Su等[34]以兩級微流控裝置產(chǎn)生的內(nèi)含不同液滴的(W1+W2)/O/W1雙重乳液為初始模板[圖3(d)]，通過液相密度差和界面黏附能誘導(dǎo)乳液內(nèi)部兩個微米級水滴垂直排列并發(fā)生反浸潤[圖3(e)]，同時使外部水相在油相中過量表面活性劑作用下跨界面?zhèn)髻|(zhì)至油相中形成納米水滴，最后經(jīng)磁鐵誘導(dǎo)Fe3O4@Ag納米顆粒沉積至雙重乳液底部，從而實現(xiàn)了雙重乳液的可控演化?；谠摽煽匮莼碾p重乳液，通過以微米水滴和納米水滴分別作為致孔模板，一步連續(xù)可控構(gòu)建了底部結(jié)合有Fe3O4@Ag 納米顆粒的自驅(qū)動型分級式多孔聚乙氧基化三羥甲基三丙烯酸酯(PETPTA)微顆粒[圖3(f)]。該微顆粒可以利用其底部的Fe3O4@Ag 納米顆粒分解水中的H2O2產(chǎn)生O2氣泡，推動微顆粒向反方向運(yùn)動，從而通過溶液中的混合傳質(zhì)強(qiáng)化增強(qiáng)微顆粒對水中污染物如有機(jī)染料(亞甲基藍(lán))和重金屬離子(Pb2+)的吸附。Chen等[35]以含有磁性Fe3O4@Ag 納米顆粒和光催化特性ZIF-8@ZnO 納米顆粒的O/W 乳液液滴作為模板，可控構(gòu)建了能有效催化降解水中污染物的自驅(qū)動型分級式多孔PETPTA微顆粒[圖4(a)]。乳液液滴中的ZIF-8@ZnO 納米顆?？稍诮缑婺茯?qū)使下向液滴表面遷移，而Fe3O4@Ag納米顆粒則可在外加磁場作用下定向沉積至液滴底部；而在乳液液滴中過量表面活性劑作用下，外相水分子可跨界面擴(kuò)散至乳液內(nèi)形成納米水滴作為致孔模板。因此，以此乳液液滴作為模板合成的微顆粒具有分級式多孔結(jié)構(gòu)，其第一級大孔結(jié)構(gòu)主要源自于納米水滴致孔模板，而第二級微孔結(jié)構(gòu)則源自于ZIF-8@ZnO 納米顆粒的多孔結(jié)構(gòu)。該微顆粒的表面和底部分別結(jié)合有ZIF-8@ZnO和Fe3O4@Ag納米顆粒，可有效耦合氣泡驅(qū)動運(yùn)動的混合傳質(zhì)強(qiáng)化效應(yīng)[圖4(b)]、ZIF-8@ZnO 對污染物分子的吸附富集作用以及ZIF-8@ZnO 和H2O2/UV 的光催化降解性能，實現(xiàn)對水中有機(jī)污染物的高效協(xié)同降解[圖4(c)]。

圖4 微流控制備自驅(qū)動型分級式多孔微顆粒[35]。自驅(qū)動型分級式多孔微顆粒的制備過程(a),氣泡驅(qū)動運(yùn)動(標(biāo)尺為1 mm)(b),以及其光催化降解水中污染物(c)Fig.4 Microfluidic fabrication of self-propelled hierarchical porous microparticles[35].Fabrication process(a),and bubble-propelled motion(scale bar is 1 mm)(b)of the hierarchical porous microparticles,and their photocatalytic degradation of pollutants in water(c)

3 微流控液滴模板法可控構(gòu)建腔室結(jié)構(gòu)球形微顆粒

3.1 單腔室結(jié)構(gòu)球形微顆粒

具有物質(zhì)封裝和釋放功能的單腔室結(jié)構(gòu)微顆粒被廣泛用于物質(zhì)封裝保護(hù)、藥物控釋、分析檢測、微型反應(yīng)等領(lǐng)域[6,15-17]。在單腔室結(jié)構(gòu)微顆粒中，物質(zhì)的封裝和釋放性能主要取決于其腔室結(jié)構(gòu)和囊壁結(jié)構(gòu)及其功能性。通過在微顆粒中構(gòu)建中空結(jié)構(gòu)或者液核作為腔室，可以實現(xiàn)親水性或者親油性物質(zhì)的封裝保護(hù)，而通過調(diào)控囊壁組成、結(jié)構(gòu)、厚度和功能性，則可以實現(xiàn)對封裝物質(zhì)的可控釋放。通常地，腔室結(jié)構(gòu)微顆?？梢酝ㄟ^高分子自組裝和相分離以及基于液滴或者顆粒模板的層層組裝過程來實現(xiàn)。然而，傳統(tǒng)的制備方法往往難以實現(xiàn)對于微顆粒尺寸以及腔室結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，且其材料選擇范圍受到一定限制。微流控技術(shù)產(chǎn)生的尺寸、結(jié)構(gòu)和組成精確可控的乳液液滴為腔室結(jié)構(gòu)微顆粒的可控構(gòu)建提供了優(yōu)良的模板。比如，通過以尺寸高度單分散的單乳液滴作為模板，可以通過液滴表面的界面反應(yīng)構(gòu)建囊壁，從而制備得到均一的中空單腔室結(jié)構(gòu)微顆粒；而基于單分散的雙重乳液模板，則可以利用其“液滴包裹液滴”的微相分離結(jié)構(gòu)，通過將外部液滴固化為囊壁、內(nèi)部液滴作為液核腔室，從而制備得到均一的核殼型單腔室結(jié)構(gòu)微顆粒。由于微流控技術(shù)可以靈活操控多種具有不同組成、密度、黏度和界面張力的液相的流動和分散，因此，諸如高分子、有機(jī)/無機(jī)納米顆粒、生物活性物質(zhì)(如蛋白質(zhì))等材料均可以用于腔室結(jié)構(gòu)微顆粒的可控構(gòu)建。同時，通過微流控技術(shù)獨(dú)立、精確地調(diào)控液滴的尺寸、結(jié)構(gòu)和組成，還可以實現(xiàn)對于腔室尺寸、封裝物含量、囊壁厚度及功能性的靈活調(diào)控。

圖5 微流控制備單腔室球形微顆粒。具有納米級囊壁的單腔室殼聚糖微顆粒(a)[36]；具有納米級囊壁的單腔室APSi微顆粒(b)[7]；具有多重刺激響應(yīng)性釋藥功能的單腔室殼聚糖微顆粒(c)[37]；具有梯級次序式釋藥功能的單腔室殼聚糖微顆粒(標(biāo)尺為500 μm)(d)[38]Fig.5 Microfluidic fabrication of spherical microparticles with single compartment.Single-compartmental chitosan microparticles with nanometer-sized shell thickness(a)[36].Single-compartmental APSi microparticles with nanometer-sized shell thickness(b)[7].Single-compartmental chitosan microparticles with multi-responsive drug release (c)[37].Single-compartmental chitosan microparticles with sequential drug release(scale bars are 500 μm)(d)[38]

Mu 等[36]以微流控技術(shù)產(chǎn)生的單分散O/W 乳液液滴為模板，通過連續(xù)水相中的殼聚糖(CS)分子與液滴中的對苯二甲醛在液滴界面處發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，可控構(gòu)建了具有超薄囊壁(厚度＜10 nm)的單腔室結(jié)構(gòu)殼聚糖微顆粒[圖5(a)]。通過調(diào)節(jié)交聯(lián)反應(yīng)時間、反應(yīng)物濃度和水相黏度，可以在2.8 ～8.0 nm 的范圍內(nèi)靈活調(diào)控微顆粒的囊壁厚度。以茶樹油作為代表性物質(zhì)研究該微顆粒的釋放性能發(fā)現(xiàn)，由于微顆粒的超薄殼聚糖囊壁具有較小的傳質(zhì)阻力，因此其可快速釋放內(nèi)部封裝的茶樹油分子；并且，通過將囊壁厚度由4.3 nm 減少為3.1 nm 時，其初始釋放速率可進(jìn)一步提升為原來的兩倍。Wu 等[7]基于微流控W/O 乳液液滴構(gòu)建的海藻酸鈣微顆粒，通過兩步生物硅化過程在微顆粒表面結(jié)合魚精蛋白/二氧化硅殼層，從而可控構(gòu)建了囊壁厚度約為420 nm 的單腔室海藻酸鹽/魚精蛋白/二氧化硅(APSi)微顆粒[圖5(b)]。該微顆?？梢詫崿F(xiàn)對活性物質(zhì)牛血清白蛋白的高效封裝(封裝率約為99%)。此外，由于其納米級殼層的快速傳質(zhì)性能，該微顆?？筛咝Х庋b漆酶用于快速酶反應(yīng)，且可展現(xiàn)出優(yōu)良的酶儲存特性和重復(fù)利用性能。

雙重乳液具有液滴包封液滴的分層結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的核殼型微相分離結(jié)構(gòu)為單腔室結(jié)構(gòu)微顆粒的構(gòu)建提供了良好的模板。典型地，通過將雙重乳液中含有功能材料的外層液滴固化為囊壁，則可構(gòu)建出具有腔室結(jié)構(gòu)的微顆粒。Wei 等[37]通過在O/W/O雙重乳液的中間水層中加入殼聚糖分子、PNIPAM亞微米顆粒以及磁性Fe3O4納米顆粒，并利用界面交聯(lián)反應(yīng)將水層中的殼聚糖分子凝膠化，從而可控構(gòu)建了具有多重刺激響應(yīng)性藥物控釋功能的單腔室結(jié)構(gòu)殼聚糖微顆粒[圖5(c)]。該微顆粒的殼聚糖囊壁可以響應(yīng)環(huán)境pH 的變化而發(fā)生溶脹或收縮，從而改變囊壁滲透性、調(diào)控內(nèi)部封裝藥物的跨膜傳質(zhì)釋放速率；同時，其囊壁內(nèi)嵌入的PNIPAM 亞微米顆粒可響應(yīng)環(huán)境溫度的變化而發(fā)生溶脹或者收縮，從而進(jìn)一步改變囊壁滲透性。結(jié)合兩種調(diào)控機(jī)制，可以實現(xiàn)對微顆粒內(nèi)封裝藥物分子的控釋速率的多樣化組合調(diào)控。此外，由于微顆粒囊壁中的Fe3O4納米顆粒具有超順磁性，通過外加磁場可實現(xiàn)載藥微顆粒的靶向運(yùn)輸。Yang 等[38]利用微流控產(chǎn)生的O/W/O 雙重乳液作為模板，通過界面交聯(lián)反應(yīng)可控構(gòu)建了具有次序式釋藥功能的單腔室結(jié)構(gòu)殼聚糖微顆粒。該微顆粒由外層的殼聚糖水凝膠囊壁和內(nèi)部的油核組成；油核中含有游離的藥物分子以及負(fù)載有藥物的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)納米顆粒。該微顆粒的殼聚糖殼層可在酸性條件下溶解，從而在短時間(約60 s)內(nèi)迅速釋放出內(nèi)部油滴及其包封的游離藥物分子和載藥型PLGA 納米顆粒[圖5(d)]；接著，由于PLGA 納米顆粒逐漸降解，其內(nèi)部封裝的藥物分子在接下來的幾天時間內(nèi)緩慢釋放。這種單腔室結(jié)構(gòu)殼聚糖微顆粒不僅可實現(xiàn)不同藥物的協(xié)同封裝，還可實現(xiàn)不同釋放模式的耦合，其酸觸發(fā)的次序式藥物控釋功能在急性胃炎治療方面具有良好的應(yīng)用前景。

3.2 多腔室結(jié)構(gòu)球形微顆粒

多腔室結(jié)構(gòu)微顆?？梢詾槎喾N不相容活性物質(zhì)在單個微顆粒中的獨(dú)立共封裝提供分隔的腔室，從而有效避免交叉污染，因而其在腫瘤治療[39-40]、組織再生[41]以及限域酶反應(yīng)[42]等方面具有重要作用。例如，在癌癥組合治療中，通過協(xié)同遞送兩種或更多種能協(xié)同作用的藥物(如藥物和基因[39])，可以獲得比每種藥物單獨(dú)給藥時的總療效更好的綜合療效。而在限域酶反應(yīng)方面，相比于將不同酶混合封裝于微載體中，通過將不同的酶分別封裝在微載體的分隔腔室中，可獲得更好的酶活性和穩(wěn)定性[42]。在多腔室結(jié)構(gòu)微顆粒中，通過調(diào)控其外部囊壁的組成結(jié)構(gòu)和功能性，可以實現(xiàn)封裝物質(zhì)的多樣化釋放模式；而通過調(diào)控其腔室結(jié)構(gòu)、微顆粒尺寸和均一性，可以精確調(diào)控物質(zhì)封裝的化學(xué)計量比和釋放動力學(xué)以獲得最佳療效[8,43]。通常來說，具有多腔室結(jié)構(gòu)的微顆?？梢酝ㄟ^基于液滴或者顆粒模板的多步組裝過程來制備[44-46]，但這些方法往往涉及多個復(fù)雜的制備步驟，且其難以精確控制微顆粒的尺寸及其多腔室結(jié)構(gòu)(如內(nèi)部腔室的數(shù)目、尺寸等)。通過微流控技術(shù)可控產(chǎn)生內(nèi)含不同液滴的雙重乳液和具有更高級分級結(jié)構(gòu)的多重乳液，可以為具有多樣化多腔室結(jié)構(gòu)微顆粒的可控構(gòu)建提供優(yōu)良的模板。基于微流控技術(shù)對于乳液內(nèi)部液滴尺寸、數(shù)目和組成的精確調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)對微顆粒內(nèi)部腔室尺寸、數(shù)目和封裝物的精確調(diào)控，以及對腔室囊壁尺寸、結(jié)構(gòu)和功能的精確調(diào)控。Wang 等[12]基于其開發(fā)的用于可控制備多組分多重乳液的模塊化微流控技術(shù)，可控產(chǎn)生了內(nèi)含不同液滴的O/W/O 雙重乳液作為模板，并進(jìn)一步以該乳液液滴為模板構(gòu)建了具有可控協(xié)同封裝和熱觸發(fā)協(xié)同釋藥功能的多腔室微顆粒[圖6(a)][47]。該微顆粒利用了雙重乳液內(nèi)部所含的不同組分油滴作為分隔腔室分別封裝不同的油溶性物質(zhì)，同時，這些油滴均由同一層溫敏性PNIPAM 水凝膠囊壁包裹。通過利用微流控技術(shù)精確調(diào)控雙重乳液內(nèi)部不同組分油滴的數(shù)目、比例和尺寸，可以精確調(diào)控不同組分在同一個微顆粒中的含量，從而優(yōu)化其封裝劑量。而當(dāng)環(huán)境溫度升高時，微顆粒的溫敏性囊壁發(fā)生收縮，從而將內(nèi)部不同的油核一并釋放出來，實現(xiàn)對不同封裝物質(zhì)的協(xié)同釋放。

除了利用內(nèi)含不同液滴的雙重乳液來構(gòu)建上述具有平行多腔室結(jié)構(gòu)的微顆粒外，通過利用微流控技術(shù)制備結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的多重乳液液滴，還可實現(xiàn)具有同心多腔室結(jié)構(gòu)的微顆粒的可控構(gòu)建。相比于平行多腔室結(jié)構(gòu)微顆粒在單一刺激下的一次性協(xié)同釋放模式，同心多腔室結(jié)構(gòu)微顆粒可以通過對不同囊壁的功能設(shè)計，實現(xiàn)封裝物的梯級次序式釋放，這種次序式釋放模式可在癌癥化療中獲得更好的療效和更低的毒性副作用[48-49]。Mou 等[50]利用多級微流控裝置制得了具有多層液滴嵌套結(jié)構(gòu)的(O1/W2)/O3/W4/O5四重乳液，該乳液最內(nèi)部含有經(jīng)均質(zhì)乳化得到的微小O1油滴。以該四重乳液作為模板，通過將其W2相水滴中的殼聚糖和W4相水滴中的N-異丙基丙烯酰胺單體分別由界面交聯(lián)和紫外光照引發(fā)聚合，從而可控構(gòu)建得到了具有“微囊包裹微球”結(jié)構(gòu)的同心多腔室微顆粒[圖6(b)]。該多腔室微顆粒的溫敏性PNIPAM 囊壁中包含有O3油滴，而油滴中封裝有一個含有多個微小O1油滴的殼聚糖微球。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，其PNIPAM 囊壁會迅速收縮，并首先將O3油滴以及殼聚糖微球一并釋放出來。隨后，當(dāng)環(huán)境pH 降低時，殼聚糖微球進(jìn)一步降解，從而將最內(nèi)部的多個微小O1油滴釋放出來，實現(xiàn)對于不同封裝物質(zhì)的梯級次序釋放。進(jìn)一步地，Mou 等[24]利用微流控可控產(chǎn)生的O1/W2/O3/W4/O5四重乳液為模板，通過將其W2相和W4相水滴中的功能組分分別轉(zhuǎn)化為功能性囊壁，構(gòu)建得到了具有特洛伊木馬式“微囊包裹微囊”結(jié)構(gòu)的同心多腔室微顆粒[圖6(c)]。當(dāng)選擇不同的功能材料用于構(gòu)建其內(nèi)、外層囊壁時，可以實現(xiàn)不同刺激響應(yīng)條件下O1相和O3相中封裝物的梯級次序釋放。如圖6(d)所示為具有內(nèi)、外兩層殼聚糖囊壁的殼聚糖@殼聚糖多腔室微顆粒，該微顆粒可以在外界酸刺激下使得外層和內(nèi)層殼聚糖囊壁先后溶解，從而依次釋放其O3相液滴和O1相液滴。如圖6(e)所示為具有內(nèi)層殼聚糖囊壁和外層PNIPAM 囊壁的殼聚糖@PNIPAM多腔室微顆粒，該微顆?？墒紫仍跓岽碳は箩尫艃?nèi)部的O3相液滴和殼聚糖微囊，并進(jìn)一步在酸刺激下釋放最內(nèi)部的O1相液滴。由此可見，通過巧妙選擇功能材料用于構(gòu)建其內(nèi)、外囊壁，可以實現(xiàn)多種釋放模式在同一微顆粒中的靈活組合。此外，在上述多腔室微顆粒的制備過程中，多重乳液的界面穩(wěn)定性對于微顆粒多腔室結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建具有重要影響。由于多重乳液模板中涉及多個界面，且模板合成微顆粒時界面反應(yīng)和傳質(zhì)等過程會對界面穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因而需要調(diào)控多重乳液各液相中的表面活性劑的種類和含量以及各液相的黏度和密度等物性，從而保證微顆粒制備過程中多重乳液的界面穩(wěn)定性，以成功合成多腔室微顆粒[24]。

4 微流控液滴模板法可控構(gòu)建多樣化結(jié)構(gòu)非球形微顆粒

4.1 非球形微顆粒

相比于球形微顆粒，非球形微顆粒材料由于其獨(dú)特的形狀而具有獨(dú)特的新功能，因而在藥物遞送[51]、組織工程[52]、吸附分離[5]等方面亦展現(xiàn)出了非常重要的作用。例如，由嵌段共聚物自組裝得到的圓柱狀微顆粒在嚙齒動物血液循環(huán)中的停留時間比球形微顆粒長10 倍以上[51]；而在填充堆積方面，非球形微顆?？烧宫F(xiàn)出比球形微顆粒更高的堆積密度[53]。在以液滴作為模板來制備微顆粒時，由于界面張力的作用總是使液滴盡可能地維持其球形形狀，以使系統(tǒng)處于較低界面能的狀態(tài)；因此，傳統(tǒng)的基于液滴模板的微顆粒制備方法通常難以獲得尺寸均一的非球形顆粒。微流控技術(shù)由于能精確地操控微尺度流體的流動和分散，并且能精確地調(diào)控乳液液滴的尺寸、結(jié)構(gòu)、組成，因而其可以通過調(diào)節(jié)微通道尺寸形狀、液相流動狀態(tài)、液相界面能量等方式來控制球形乳液液滴的可控形變[54-58]。以可控形變后的液滴作為模板來合成微顆粒，則可以得到具有相應(yīng)尺寸、結(jié)構(gòu)和形狀的非球形微顆粒。此外，由于微流控產(chǎn)生的液滴模板具有均一的尺寸和體積，因而變形后的液滴亦具有相應(yīng)的均一形狀和尺寸，由此可構(gòu)建得到均一的非球形顆粒。Cai等[55]通過微通道內(nèi)液相流動調(diào)控來改變連續(xù)液相對單乳液滴的剪切力，使得液滴變形為心形，從而通過微通道內(nèi)在線紫外光照聚合得到心形實心微顆粒；而通過減小微通道尺寸來進(jìn)一步對液滴的形變進(jìn)行空間限制，則可模板合成得到具有子彈形狀的實心聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)微顆粒[圖7(a)、(b)]?；谠撘旱涡巫冋{(diào)控機(jī)制，通過在微通道內(nèi)產(chǎn)生雙重乳液液滴，還能可控制備得到分別具有一個和兩個內(nèi)部腔室結(jié)構(gòu)的子彈形微顆粒[圖7(c)]。相比于球形微顆粒，子彈形微顆?？梢哉宫F(xiàn)出更好的微通道阻塞效果，其在栓塞治療方面具有良好的應(yīng)用前景。Wang 等[57]利用微流控技術(shù)制得內(nèi)含單體油滴的聚乙烯醇微纖維，再通過對微纖維進(jìn)行干燥、拉伸等處理來對內(nèi)部油滴施加擠壓作用，實現(xiàn)了單體油滴不同程度的可控形變。以變形后的油滴作為模板，通過紫外光照聚合和聚乙烯醇降解，從而可控構(gòu)建得到了餅狀、棒狀等不同形狀的非球形實心聚二甲基丙烯酸乙二醇酯(PEGDMA)微顆粒[圖7(d)]。

除了利用外部作用力使得乳液液滴發(fā)生可控形變外，通過調(diào)控雙重乳液體系自身的界面能，亦可以實現(xiàn)乳液液滴在界面能驅(qū)使下的可控形變。Wang 等[59]基于微流控可控產(chǎn)生的W/O/W 雙重乳液模板，提出了一種基于界面黏附能調(diào)控來實現(xiàn)雙重乳液由球形向橡子形可控演化、進(jìn)而構(gòu)建非球形微顆粒的新策略。在該雙重乳液體系中，當(dāng)改變油相中苯甲酸芐酯和丙烯酸酯類光聚合單體的比例時，雙重乳液中間油相與內(nèi)、外水相之間的界面張力發(fā)生改變，從而使得雙重乳液內(nèi)、外油/水相界面間的黏附能發(fā)生變化。此時，在界面黏附能驅(qū)使下，雙重乳液內(nèi)、外液滴的油/水界面將發(fā)生黏結(jié)，使得內(nèi)部水滴從中間油滴中凸出來，而雙重乳液則由球形可控演化為橡子形[圖7(e)]。通過調(diào)節(jié)界面張力，可以調(diào)控內(nèi)部水滴的凸出程度，從而得到不同橡子形的雙重乳液。以可控演化后的雙重乳液為模板[圖7(f)]，經(jīng)紫外光照引發(fā)其油相中的丙烯酸酯類單體聚合，則可以得到具有相應(yīng)形狀的非球形PETPTA 微顆粒[圖7(g)]。類似地，Zhang 等[5]通過W/O/W 雙重乳液體系的界面能調(diào)控，并結(jié)合其中間油相與水相間的溶劑交換過程，得到了可控演化的非球形W/O/W 雙重乳液。同時，通過在該雙重乳液油相中使用過量的表面活性劑，使得水相中水分子跨界面?zhèn)髻|(zhì)至油相中形成納米液滴作為致孔模板，最終以該演化后的雙重乳液為模板構(gòu)建了具有分級式多孔結(jié)構(gòu)的非球形聚甲基丙烯酸甲酯共聚二甲基丙烯酸乙二醇酯(poly(MMA-co-EGDMA))微顆粒。通過改變內(nèi)部水滴的大小和數(shù)量，可以調(diào)控雙重乳液演化后的非球形形態(tài)，并由此分別構(gòu)建得到具有相應(yīng)結(jié)構(gòu)的非球形微顆粒[圖7(h)]。這種具有分級式多孔結(jié)構(gòu)的非球形微顆粒，可以展現(xiàn)出比僅具有納米尺度多孔結(jié)構(gòu)的球形微顆粒更快的蛋白分子吸附性能，其在物質(zhì)吸附分離方面具有良好的應(yīng)用前景。

4.2 螺旋形微顆粒

螺旋形微顆粒能在旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動下將其在液體(如水或血液)中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為前進(jìn)或后退的定向運(yùn)動。這種獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)推進(jìn)運(yùn)動可以用于微小貨物的裝載和釋放[60]、液體的混合和泵送[61]、pH遙感[62]、組織細(xì)胞穿刺[52]以及腫瘤溫?zé)嶂委焄63]等，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域顯示出獨(dú)特的應(yīng)用前景。通常來說，螺旋形微顆粒可通過3D 激光直寫技術(shù)[60]、微流控液相模板合成技術(shù)[54,56-57]或者基于犧牲基材上沉積/生長的多層金屬的彎曲[64]來構(gòu)建。其中，微流控液相模板合成技術(shù)主要通過微流控技術(shù)對液流或者液滴形狀結(jié)構(gòu)的精確操控來實現(xiàn)對于螺旋形微顆粒的可控模板合成。Tang等[56]基于微通道內(nèi)液流的卷繩效應(yīng)，首先利用微流控技術(shù)可控產(chǎn)生卷曲液流模板，制得了內(nèi)含磁性Fe3O4納米顆粒的螺旋形海藻酸鈣微纖維[圖8(a)]。值得注意的是，由于卷曲液流模板主要是利用具有較大黏度差的兩種水相來構(gòu)建，其水/水界面和卷曲結(jié)構(gòu)均難以長時間穩(wěn)定，因而需要通過快速交聯(lián)反應(yīng)來固定住液流模板的卷曲結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建螺旋形微纖維。接著，通過將該磁性螺旋形微纖維切割成段后，再利用兩步生物硅化過程構(gòu)建得到了具有中空結(jié)構(gòu)的磁性螺旋形APSi微顆粒[圖8(a)]。

圖8 微流控制備螺旋形微顆粒?；谖⑼ǖ乐幸毫骶砬?yīng)可控構(gòu)建螺旋形微顆粒(a)[56]；基于微纖維中液滴拉伸卷曲變形(b)可控構(gòu)建螺旋形微顆粒(c)[57]；基于微通道中內(nèi)含液滴的液流的卷曲效應(yīng)(d)可控構(gòu)建螺旋形微顆粒(e)，及旋轉(zhuǎn)磁場中螺旋形微顆粒對微通道里微球的運(yùn)輸(f)[54]Fig.8 Microfluidic fabrication of helical microparticles.Microflow with coiling effect in microchannel for controllable fabrication of helical microparticles(a)[56].Deformation of droplets upon stretching and coiling in microfiber(b)for controllable fabrication of helical microparticles(c)[57].Droplet-containing microflow with coiling effect in microchannel(d)for controllable fabrication of helical microparticles(e),and their transportation of a microparticle in microchannel under rotated magnetic field (f)[54]

此外，通過巧妙地操控液滴的形變，亦可以基于變形后的液滴來模板合成螺旋形微顆粒。Wang等[57]基于微流控技術(shù)構(gòu)建的內(nèi)含油相單體液滴的PVA 微纖維，首先通過拉伸PVA 微纖維使得其內(nèi)部單體液滴變形，再將拉伸后的微纖維纏繞在不銹鋼絲上，使得內(nèi)部液滴隨之變?yōu)榱寺菪蝃圖8(b)]；接著，利用紫外光照聚合該含有磁性Fe3O4納米顆粒的螺旋形單體液滴，再通過溶解其外部的PVA 微纖維以釋放內(nèi)部微顆粒，從而獲得了磁性螺旋形PEGDMA 微顆粒[圖8(c)]。進(jìn)一步地，Cai 等[54]借助微通道內(nèi)含有海藻酸的液流的卷繩效應(yīng)來對液流內(nèi)部的油相單體液滴施加作用力，使得單體液滴隨液流一起發(fā)生卷曲變形[圖8(d)]，從而一步連續(xù)模板合成了磁性螺旋形PETPTA微顆粒[圖8(e)]。在此過程中，由于單體液滴在界面張力作用下會趨于維持球形，因此，為了使單體液滴隨液流一起發(fā)生穩(wěn)定的卷曲變形，需將卷曲液流中的海藻酸快速交聯(lián)，并利用海藻酸鈣水凝膠卷曲結(jié)構(gòu)使得單體液滴變形。通過改變液相流速、黏度和界面張力來調(diào)控液流的卷曲結(jié)構(gòu)和內(nèi)部液滴的尺寸，可以實現(xiàn)對磁性螺旋形微顆粒的長度、螺距以及振幅的調(diào)控；而通過增加螺旋形微顆粒中的磁性納米顆粒含量，則可以強(qiáng)化其在旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動下的旋轉(zhuǎn)推進(jìn)運(yùn)動速率。這種磁性螺旋形微顆粒在微通道中可受旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)推進(jìn)運(yùn)動，從而有效地運(yùn)輸微通道中的微小物體[圖8(f)]，以及有效地疏通清除微通道中的堵塞物。這種微流控液相模板合成技術(shù)為多種不同材料的螺旋結(jié)構(gòu)微顆粒的可控構(gòu)建和多樣化功能修飾提供了靈活的策略。

圖9 微流控技術(shù)批量制備乳液液滴和功能微顆粒。具有8個液滴產(chǎn)生模塊的多重模塊化PDMS微流控系統(tǒng)用于乳液批量制備(a)[65]。具有層層堆疊結(jié)構(gòu)的圓盤狀PMMA微流控裝置(b)[66]。具有10260個液滴產(chǎn)生微通道結(jié)構(gòu)的玻璃/硅基材微流控裝置(c)用于批量制備乳液(d)和微顆粒(e)[67][(a)、(c)和(e)中標(biāo)尺分別為500 μm、140 μm和8 μm]Fig.9 Microfluidic techniques for mass production of emulsion droplets and functional microparticles.Multiple modular PDMS microfluidic system with eight droplet-generating modules for mass production of emulsion droplets (a)[65].Disk-like PMMA microfluidic device with stacked-layer structures(b)[66].Silicon and glass based microfluidic device with 10260 droplet-generating microchannels(c)for mass production of emulsion droplets(d)and functional microparticles(e)[67][Scale bars in(a),(c)and(e)are 500 μm,140 μm and 8 μm,respectively]

5 功能微顆粒的微流控批量制備

微流控技術(shù)在以乳液液滴為模板可控構(gòu)建功能微顆粒方面已展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢，但要將微流控技術(shù)用于功能微顆粒的批量制備，還需要解決微流控制備技術(shù)的放大問題，而其中的關(guān)鍵是要實現(xiàn)乳液液滴的批量生產(chǎn)。目前，微流控技術(shù)的放大主要是基于微通道的數(shù)量放大，即通過采用更多數(shù)量的微通道結(jié)構(gòu)，以在單位時間內(nèi)產(chǎn)生更多的乳液液滴。圖9(a)所示為具有8 個液滴產(chǎn)生模塊的多重模塊化PDMS 微流控系統(tǒng)，其每個液滴產(chǎn)生模塊具有16 個平行的微通道結(jié)構(gòu)用于液滴的生成和聚合[65]。該多重模塊化微流控系統(tǒng)每小時可產(chǎn)生總體積為51.2 ml 的微米級液滴，同時，其所制備的微顆粒的產(chǎn)量為每小時約50 g 且CV 值不超過5%，展現(xiàn)出了良好的單分散性。圖9(b)所示為具有層層堆疊結(jié)構(gòu)的圓盤狀PMMA 微流控裝置，其分別由頂層圓盤蓋、具有發(fā)散樹枝狀微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的流體分布圓盤以及具有128個呈圓環(huán)狀排列的液滴產(chǎn)生微通道結(jié)構(gòu)的液滴產(chǎn)生圓盤組成[66]。該圓盤狀微流控裝置具有1個連續(xù)相液體進(jìn)口、1個分散相液體進(jìn)口以及4 個液滴出口。當(dāng)制備乳液液滴時，油相和水相液體分別通過第二、三層流體分布圓盤上的微通道網(wǎng)絡(luò)分配到下層液滴產(chǎn)生圓盤中以并行制備乳液液滴。通過增加所堆疊的液滴產(chǎn)生圓盤的數(shù)目(n)，則可將更多液滴產(chǎn)生微通道結(jié)構(gòu)(128×n)集成到微流控裝置中。該圓盤狀微流控裝置每小時所產(chǎn)生的微米級液滴的總體積可達(dá)到約1 L。圖9(c)所示為集成有10260(285×36)個液滴產(chǎn)生微通道結(jié)構(gòu)的玻璃/硅基材微流控裝置；該裝置僅有1 個連續(xù)相液體進(jìn)口、1 個分散相液體進(jìn)口以及2 個液滴出口，其通量相比于僅具有一個液滴產(chǎn)生微通道結(jié)構(gòu)的微流控裝置提升了10000 倍以上[67]。該高度集成化的微流控裝置可以在每小時內(nèi)產(chǎn)生1萬億個以上的單分散微米級液滴(CV 值＜3%)，同時，該微流控裝置每小時可產(chǎn)生277 g 的單分散聚己內(nèi)酯微顆粒(CV 值＜5%)[圖9(d)、(e)]。在多通道微流控裝置批量制備乳液液滴和微顆粒的過程中，由于各個液滴產(chǎn)生微通道結(jié)構(gòu)中的連續(xù)相和分散相的流速對液滴形成具有重要的影響，因而對于各個微通道中液相的流速調(diào)控具有較高要求。這就需要巧妙設(shè)計微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其具有相同的流阻，從而實現(xiàn)液相在多個微通道中的均勻分布，以確保多個平行微通道結(jié)構(gòu)中能精確制備尺寸相同的乳液液滴和微顆粒。上述研究工作展現(xiàn)了微流控技術(shù)在面向工業(yè)化的功能微顆粒材料批量制備方面的應(yīng)用前景。

表1 微流控技術(shù)構(gòu)建功能微顆粒的代表性文獻(xiàn)總結(jié)Table 1 Summary on references for microfluidic fabrication of functional microparticles

6 結(jié) 論

綜上所述，本文綜述了近年來基于微流控液滴模板法來可控構(gòu)建面向化工、醫(yī)藥、儲能、環(huán)境等領(lǐng)域的多樣化功能微顆粒材料的研究新進(jìn)展。重點(diǎn)介紹了具有多樣化結(jié)構(gòu)和獨(dú)特功能的微顆粒材料的液滴模板設(shè)計思路和制備方法，并探討了基于微顆粒微觀空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的協(xié)同耦合來構(gòu)筑獨(dú)特功能特性的設(shè)計策略(表1 中對本文所介紹的微流控技術(shù)構(gòu)建功能微顆粒的代表性文獻(xiàn)進(jìn)行了總結(jié))。為了進(jìn)一步促進(jìn)微流控技術(shù)在功能微顆粒材料創(chuàng)新制備方面的應(yīng)用，未來的研究工作應(yīng)充分發(fā)揮微流控技術(shù)對于材料微觀空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成等的精準(zhǔn)調(diào)控，聚焦于具有高附加值的高度結(jié)構(gòu)化、功能化的微顆粒材料的設(shè)計構(gòu)建；同時，雖然通過微通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)量放大已可高通量制備乳液液滴，但該微流控系統(tǒng)一般僅適于實驗室環(huán)境制備，且所制得的乳液基本上都是單乳液滴，因而仍需開發(fā)經(jīng)久耐用的微流控設(shè)備以及新的多重微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)單乳液滴以及復(fù)雜多重乳液液滴的工業(yè)化批量制備；此外，還需系統(tǒng)開展微流控設(shè)備的升級放大和系統(tǒng)集成方面的研究，深入探索多重微通道條件下多相流體的分配、流動、傳熱、傳質(zhì)和反應(yīng)等物理/化學(xué)過程的協(xié)同調(diào)控機(jī)制，為功能微顆粒的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。