鄧傳富，汪偉，2，謝銳，2，巨曉潔，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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

引 言

相比于高速攪拌、超聲波均質(zhì)乳化、膜乳化等傳統(tǒng)乳化方法，液滴微流控技術(shù)可以在微通道內(nèi)可控制備單分散液滴模板用于合成各種功能微球，被廣泛應(yīng)用于生物[1-3]、醫(yī)療[4-7]、制藥[8-11]、環(huán)境[12-16]等領(lǐng)域。然而，單個(gè)液滴制備微流控單元的產(chǎn)量低，一般流量在0.1 ～10ml/h[17]，阻礙了液滴微流控技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。若要達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的規(guī)模，需要上千甚至上萬(wàn)個(gè)液滴制備微流控單元同時(shí)運(yùn)行，需要投入大量的流體泵、流體儲(chǔ)罐和相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)備投資成本高，且操作難度大[18-19]。因此，液滴微流控的集成化放大成為了液滴微流控技術(shù)面向工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)。目前，為了使用最少數(shù)量的相關(guān)設(shè)施，集成化放大的一般方法是利用流體分配網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)多個(gè)液滴制備單元[20-21]，每相流體的輸送只需要一臺(tái)泵，而不是一個(gè)液滴制備單元對(duì)應(yīng)一組泵。流體分配網(wǎng)絡(luò)的主要作用是均勻分配流體，使得集成化放大裝置在耦合多個(gè)液滴制備微流控單元的同時(shí)能夠保證液滴模板的單分散性，從而確保微球產(chǎn)品的質(zhì)量。

本文介紹了近年來(lái)液滴微流控集成化放大方法的主要研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了不同類型液滴制備微流控單元集成化放大的研究進(jìn)展，包括基于剪切力形成液滴、基于界面張力形成液滴和基于被動(dòng)分裂形成液滴的液滴制備微流控單元的集成化放大方法，以期為液滴微流控集成化放大裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 基于剪切力形成液滴的微流控集成化放大

1.1 剪切力形成液滴的微流控單元

微通道為流體流動(dòng)提供邊界，其幾何結(jié)構(gòu)會(huì)影響液滴的生成。剪切力形成液滴是微流控系統(tǒng)中一種典型的液滴制備方法，其微通道結(jié)構(gòu)主要包含交叉流動(dòng)型結(jié)構(gòu)[22]、共軸流動(dòng)型結(jié)構(gòu)[23]和流動(dòng)聚焦型結(jié)構(gòu)[24-25]。對(duì)于交叉流動(dòng)型結(jié)構(gòu)[26][圖1(a)]，兩相流體的微通道位于同一平面，分散相與連續(xù)相呈一定角度交叉流動(dòng)，其中最常見的為90°的T形結(jié)構(gòu)。對(duì)于共軸流動(dòng)型結(jié)構(gòu)[26][圖1(b)]，兩相流體的微通道位于三維空間，分散相包裹于連續(xù)相中，呈平行流動(dòng)的形式。對(duì)于流動(dòng)聚焦型結(jié)構(gòu)[26][圖1(c)]，兩相流體的微通道位于同一平面或三維空間，分散相與連續(xù)相呈聚焦流動(dòng)的形式。對(duì)于剪切力主導(dǎo)液滴形成的微流控單元，液滴的大小與均勻性極大程度上依賴于兩相流量[27]。因此，該類型液滴制備微流控單元的集成化放大需要對(duì)兩相流體進(jìn)行分配，使得匯入各個(gè)液滴制備微流控單元的兩相流量基本一致，從而確保生成液滴的均勻性。集成化放大裝置內(nèi)部一般包含成百上千的液滴制備微流控單元，液滴制備微流控單元的微通道結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對(duì)微通道的加工技術(shù)要求越高。因此，兩相流體微通道位于三維空間的共軸流動(dòng)型結(jié)構(gòu)和流動(dòng)聚焦型結(jié)構(gòu)微流控單元較難實(shí)現(xiàn)集成化放大，交叉流動(dòng)型結(jié)構(gòu)和二維流動(dòng)聚焦型結(jié)構(gòu)微流控單元更加適用于集成化放大。并且，由于流動(dòng)聚焦型結(jié)構(gòu)可以生成更小的液滴[26]，集成化放大裝置耦合的液滴制備微流控單元一般選擇兩相流體微通道位于同一平面的流動(dòng)聚焦型結(jié)構(gòu)。

圖1 基于剪切力形成液滴的微流控單元[26]Fig.1 Microfluidic droplet formation unit based on shear force[26]

1.2 梯形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)剪切乳化微流控單元的集成化放大

梯形網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用于微流控單元集成化放大的一類主要流體分配網(wǎng)絡(luò)。圖2(a)、(b)展示了梯形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)多個(gè)流動(dòng)聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內(nèi)液滴的制備[28]。該類型微流控單元集成化放大裝置內(nèi)部一般含有兩個(gè)完整的梯形網(wǎng)絡(luò)，分別為分散相-乳液相梯形網(wǎng)絡(luò)和連續(xù)相-乳液相梯形網(wǎng)絡(luò)。含有多個(gè)液滴制備微流控單元的單級(jí)梯形網(wǎng)絡(luò)包含兩個(gè)基本要素，分別為橫向主干通道與縱向支路通道，橫向主干通道為流體分配通道和液滴收集通道，縱向支路通道耦合各個(gè)液滴制備微流控單元。一般該類型梯形網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)支路通道尺寸與相鄰支路的各個(gè)干路通道尺寸分別保持一致。盡管二維流動(dòng)聚焦型液滴制備微流控單元易于制造，但多個(gè)梯形網(wǎng)絡(luò)同時(shí)耦合液滴制備微流控單元時(shí)，裝置制造仍然需要三層結(jié)構(gòu)分別密封制造，制造過(guò)程煩瑣、制造難度大。軟光刻技術(shù)[28-31]、刻蝕技術(shù)[32]、3D打印技術(shù)[33]、激光雕刻技術(shù)[34-35]和微銑削技術(shù)[36]等是實(shí)現(xiàn)此類型微流控單元集成化放大裝置制造的主要方法。

圖2 基于剪切力形成液滴微流控單元的集成化放大:梯形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)流動(dòng)聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內(nèi)部液滴的制備過(guò)程光學(xué)圖（a）和液滴粒徑分布圖（b）[28]；樹形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)流動(dòng)聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置（c）及其制備的液滴光學(xué)圖（d）、液滴粒徑分布圖（e）和液滴制備過(guò)程光學(xué)圖（f）[37]Fig.2 Integration of microfluidic droplet formation units based on shear force：Droplet generation in integration device coupled ladder network with flow focusing droplet generators(a)and histogram of droplet diameters(b)[28];Droplet generation in integration device coupled tree network with flow focusing droplet generators(c),optical micrograph of droplets(d),histogram of droplet diameters(e)and optical micrograph of droplet generation(f)[37]

梯形網(wǎng)絡(luò)的自身結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，流經(jīng)各個(gè)液滴制備微流控單元路徑的流阻不同，流入各個(gè)液滴制備微流控單元的各相流量也不相同。因此，各個(gè)液滴制備微流控單元處的液滴生成情況有所差異，理論上制備得到的液滴不能夠?qū)崿F(xiàn)完全均勻。Romanowsky等[31]基于單相流動(dòng)分析提出了梯形網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)流量均勻分配的定量設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明，若要實(shí)現(xiàn)梯形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部支路流量的均勻分配，支路流阻（Rg）應(yīng)遠(yuǎn)大于相鄰支路的干路流阻（Rd）。通過(guò)分析雙支路通道梯形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的單相流動(dòng)，得出兩支路的流量比應(yīng)滿足Q1/Q2=1+2(Rd/Rg)的關(guān)系。將雙通道模型的流量差距等效為多通道模型中任意相鄰?fù)ǖ赖牧髁坎罹?，求得含有N個(gè)支路通道的梯形網(wǎng)絡(luò)模型的最大流量差距為2N(Rd/Rg)。為了保持各個(gè)支路流量的均勻分配，最大流量差距應(yīng)遠(yuǎn)小于1，即梯形網(wǎng)絡(luò)滿足均勻分配的定量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為：2N(Rd/Rg)＜0.01 。Yadavali等[32]利用高縱橫比流阻解決了液滴制備微流控單元數(shù)量和單個(gè)液滴制備微流控單元最大操作流量之間需要折中考慮的問(wèn)題，利用含有10260個(gè)流動(dòng)聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置，實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)上萬(wàn)億個(gè)十六烷液滴的大量制備，液滴直徑約23μm，變異系數(shù)(CV)＜3%。同時(shí)，利用溶劑揮發(fā)法，實(shí)現(xiàn)了277g/h聚己內(nèi)酯顆粒的大量制備，顆粒直徑8～16μm，CV＜5%。Han等[34-35]基于二維并行化梯形網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)策略，提出了一種結(jié)合并行、堆疊和集成的多維放大策略，設(shè)計(jì)并制造了含有400個(gè)T形液滴制備微流控單元的模塊化集成放大系統(tǒng)。微流控模塊化集成放大系統(tǒng)中含有5個(gè)模塊，每個(gè)模塊由10個(gè)陣列堆疊而成，每個(gè)陣列由8個(gè)液滴生成微通道并聯(lián)形成，實(shí)現(xiàn)了6000ml/h液滴的大量制備，液滴直徑約893μm，CV≈7%。

1.3 樹形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)剪切乳化微流控單元的集成化放大

樹形網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用于微流控單元集成化放大的另一類主要流體分配網(wǎng)絡(luò)。圖2(c)～(f)展示了樹形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)多個(gè)流動(dòng)聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內(nèi)液滴的制備[37]。該類型微流控單元集成化放大裝置內(nèi)部一般含有三個(gè)樹形網(wǎng)絡(luò)，分別為分散相樹形網(wǎng)絡(luò)、連續(xù)相樹形網(wǎng)絡(luò)和乳液相樹形網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于一個(gè)含有m級(jí)分支的樹形網(wǎng)絡(luò)，流體的進(jìn)口或液滴的出口位于樹形網(wǎng)絡(luò)的第0級(jí)分支，各個(gè)液滴制備微流控單元位于樹形網(wǎng)絡(luò)的第m級(jí)分支。對(duì)于兩個(gè)連續(xù)級(jí)數(shù)的樹形網(wǎng)絡(luò)分支，后一級(jí)樹形網(wǎng)絡(luò)分支的通道數(shù)量一般增加至前一級(jí)樹形網(wǎng)絡(luò)分支數(shù)量的2倍，因此液滴制備微流控單元的數(shù)量為2m。多個(gè)樹形網(wǎng)絡(luò)同時(shí)耦合剪切形成液滴單元時(shí)，裝置制造需要三層甚至多層結(jié)構(gòu)分別密封制造，制造難度相較于梯形網(wǎng)絡(luò)更大。軟光刻技術(shù)[38-39]、刻蝕技術(shù)[40-41]和微銑削技術(shù)[37,42]等是實(shí)現(xiàn)此類型微流控單元集成化放大裝置制造的主要方法。

樹形網(wǎng)絡(luò)的自身結(jié)構(gòu)對(duì)稱，流經(jīng)各個(gè)液滴制備微流控單元路徑的流阻一致，流入各個(gè)液滴制備微流控單元的各相流量相同。因此，各個(gè)液滴制備微流控單元處的液滴生成情況相同，理論上制備得到的液滴能夠?qū)崿F(xiàn)完全均勻?；跇湫尉W(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，設(shè)計(jì)樹形網(wǎng)絡(luò)的各級(jí)分支通道時(shí)無(wú)須考慮通道的流阻大小，可以盡可能地減少分配通道的流阻，從而降低微流控單元集成化放大裝置的操作能耗。然而，此時(shí)流體的分配均勻性會(huì)受到裝置制造精度以及操作時(shí)通道堵塞的影響[37-38,43]。Li等[38]發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)延長(zhǎng)分散相進(jìn)口前的流動(dòng)路徑從而增加流阻來(lái)防止乳化剪切之間的相互干擾，通過(guò)耦合128個(gè)流動(dòng)聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置，實(shí)現(xiàn)了50g/h聚N-異丙基丙烯酰胺顆粒的制備，顆粒平 均 直徑為141μm，CV＜5%。Nisisako等[41]設(shè)計(jì)并制造了耦合144個(gè)流動(dòng)聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置，實(shí)現(xiàn)了180ml/h的油包水（W/O）液滴的大量制備，液滴的平均直徑為91μm，CV＜2.2%。不同于常見的樹形網(wǎng)絡(luò)，該裝置各相的樹形網(wǎng)絡(luò)與環(huán)形間隙相連，每相流體均只有一個(gè)連接口。此類型的微流控單元集成化放大裝置還可用于雙重液滴和Janus液滴的高通量制備。這種設(shè)計(jì)僅限于要求將不同流體的入口固定在不同直徑的同軸環(huán)形間隙上，以方便裝置的固定和支撐。

2 基于界面張力形成液滴的微流控集成化放大

2.1 界面張力形成液滴的微流控單元

界面張力形成液滴是微流控系統(tǒng)中另一種重要的液滴制備方法，一般形式為臺(tái)階乳化。目前，應(yīng)用較為廣泛的臺(tái)階型微流控單元主要包含三類，分別為槽式結(jié)構(gòu)[44]、直孔結(jié)構(gòu)[45]和三角噴嘴結(jié)構(gòu)[46]。對(duì)于槽式結(jié)構(gòu)[47][圖3(a)]，臺(tái)階存在于分散相噴嘴與連續(xù)相通道之間，分散相注入后在臺(tái)階處膨脹成盤狀，在界面張力作用下頸縮脫離臺(tái)階形成液滴。對(duì)于直孔結(jié)構(gòu)[48][圖3(b)]，在界面張力作用下，分散相在直孔終端附近發(fā)生頸縮脫離直孔形成液滴。直孔的深寬比通常要小于3～3.5 才能夠在滴流狀態(tài)下穩(wěn)定產(chǎn)生液滴。對(duì)于三角噴嘴結(jié)構(gòu)[48][圖3(c)]，在界面張力作用下，分散相在三角噴嘴終端附近發(fā)生頸縮脫離三角形噴嘴形成液滴。分散相在三角噴嘴結(jié)構(gòu)處膨脹過(guò)程中內(nèi)相流速呈逐漸減小的趨勢(shì)，使得液滴產(chǎn)生點(diǎn)區(qū)域的局部流量與分散相驅(qū)動(dòng)流量的相關(guān)性解耦；并且，分散相膨脹過(guò)程中各個(gè)液滴產(chǎn)生點(diǎn)互相分隔，使得液滴產(chǎn)生點(diǎn)區(qū)域的局部流量與連續(xù)相回流流量的相關(guān)性解耦，受到相鄰液滴產(chǎn)生點(diǎn)連續(xù)相回流的干擾減弱[48]。因此，三角噴嘴結(jié)構(gòu)為液滴形成提供了一個(gè)局部獨(dú)立區(qū)域，展現(xiàn)出更加優(yōu)異的液滴生成穩(wěn)定性。對(duì)于界面張力主導(dǎo)液滴形成的微流控單元，液滴的大小和均勻性在滴流狀態(tài)下對(duì)兩相流量的依賴性不高；但處于射流狀態(tài)時(shí)，液滴的大小和均勻性隨分散相的增大而明顯增大[47]。并且，隨著流體黏度的增大，界面張力的主導(dǎo)作用減弱，滴流到噴射狀態(tài)的轉(zhuǎn)變流量隨之降低；因此，基于界面張力形成液滴的微流控集成化放大裝置適用于低黏度體系液滴的制備。該類型液滴制備微流控單元的集成化放大一般僅對(duì)分散相進(jìn)行分配，裝置內(nèi)的連續(xù)相通道為直通通道，其主要作用為吹掃上游生成的液滴，以防止液滴聚集和聚并，從而影響液滴的生成。臺(tái)階乳化微流控單元的微通道結(jié)構(gòu)至多含有兩個(gè)高度，屬于二維結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)加工制造。

圖3 基于界面張力形成液滴的微流控單元[48]Fig.3 Microfluidic droplet formation unit based on interfacial tension[48]

2.2 梯形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)界面張力乳化微流控單元的集成化放大

臺(tái)階型液滴制備微流控單元的并聯(lián)一般采用梯形網(wǎng)絡(luò)。圖4(a)、(b)展示了梯形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)多個(gè)臺(tái)階型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內(nèi)液滴的制備[49]。該類型微流控單元集成化放大裝置內(nèi)部一般含有一個(gè)梯形網(wǎng)絡(luò)，梯形網(wǎng)絡(luò)一般具有一個(gè)分散相入口、一個(gè)連續(xù)相入口以及一個(gè)液滴相出口。各個(gè)液滴制備微流控單元位于梯形網(wǎng)絡(luò)支路通道的末端，與連續(xù)相直通通道相連。單個(gè)梯形網(wǎng)絡(luò)耦合多個(gè)液滴制備微流控單元時(shí)，裝置制造僅需雙層結(jié)構(gòu)直接密封制造，制造過(guò)程簡(jiǎn)單，大大降低了制造難度。軟光刻技術(shù)[49-53]和刻蝕技術(shù)[54-65]等是實(shí)現(xiàn)此類型微流控單元集成化放大裝置制造的主要方法。

圖4 基于界面張力形成液滴微流控單元的集成化放大:梯形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)臺(tái)階乳化液滴制備微流控單元的集成化放大裝置（a）及其制備的液滴光學(xué)圖（b）[49]；樹形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)臺(tái)階乳化液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內(nèi)部液滴的制備（c）以及每個(gè)噴嘴的最大液滴制備量隨液滴直徑的變化（d）[66]Fig.4 Integration of microfluidic droplet formation units based on interfacial tension:Droplet generation in integration device coupled ladder network with step emulsification units(a)and optical micrograph of generated droplets(b)[49];Droplet generation in integration device coupled tree network with step-emulsification units(c)and the maximum production rate per nozzle as a function of drop diameter(d)[66]

由于臺(tái)階型微流控系統(tǒng)內(nèi)液滴的大小在滴流狀態(tài)下對(duì)兩相流體流量的依賴性不高，梯形網(wǎng)絡(luò)耦合液滴制備微流控單元時(shí)，并未嚴(yán)格考慮梯形網(wǎng)絡(luò)的均勻分配程度，各個(gè)液滴制備微流控單元之間存在著較大的壓力梯度，使得活性微通道的比例不能夠達(dá)到100%，并且生成液滴的均勻性也有所降低[54-56]。通過(guò)縮小液滴制備微流控單元之間的間距[57,60]、增加分散相通道的長(zhǎng)度[58]或者增設(shè)蛇形的分散相通道[58]可以有效地增加活性微通道的比例和提高液滴的均勻性。通過(guò)縮小液滴制備微流控單元微通道的尺寸，利用梯形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)臺(tái)階型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置，可以實(shí)現(xiàn)小于10μm液滴或聚合物顆粒的大量制備[63,65]。Amstad等[50]通過(guò)在三角噴嘴式臺(tái)階型液滴制備微流控單元的三角區(qū)域處增加三維分流通道實(shí)現(xiàn)了高黏度液滴的制備，通過(guò)66個(gè)臺(tái)階型液滴制備微流控單元實(shí)現(xiàn)了2ml/h高黏度水滴的制備。Ofner等[62]將前一級(jí)集成化放大裝置內(nèi)產(chǎn)生的W/O液滴再注射至下一級(jí)集成化放大裝置，實(shí)現(xiàn)了水包油包水（W/O/W）液滴的大量制備，兩級(jí)集成化放大裝置內(nèi)部均包含800個(gè)臺(tái)階型液滴制備微流控單元，各個(gè)液滴制備微流控單元通過(guò)梯形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)。雙重乳液中水滴直徑30μm，操作流量15ml/h；油滴直徑70μm，操作流量49ml/h；CV≈5%。通過(guò)調(diào)節(jié)兩級(jí)集成化放大裝置內(nèi)液滴制備微流控單元中微通道的高度比和兩相操作流量，可實(shí)現(xiàn)不同殼層厚度或者包裹不同數(shù)量水滴的雙重乳液的大量制備。

2.3 樹形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)界面張力乳化微流控單元的集成化放大

樹形網(wǎng)絡(luò)是臺(tái)階型液滴制備微流控單元的另一類并聯(lián)方式。圖4(c)、(d)展示了樹形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)多個(gè)臺(tái)階型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內(nèi)液滴的制備[66]。該類型微流控單元集成化放大裝置內(nèi)部一般含有一個(gè)樹形網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)臺(tái)階型液滴制備微流控單元位于樹形網(wǎng)絡(luò)最后一級(jí)分支通道的末端。單個(gè)樹形網(wǎng)絡(luò)耦合臺(tái)階型液滴制備微流控單元時(shí)，裝置制造同樣僅需雙層結(jié)構(gòu)直接密封制造，制造難度低。液滴制備時(shí)，各個(gè)液滴制備微流控單元直接浸沒于連續(xù)相儲(chǔ)槽內(nèi)。由于樹形網(wǎng)絡(luò)自身結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，流經(jīng)各個(gè)臺(tái)階型液滴制備微流控單元路徑的流阻完全一致，流入各個(gè)液滴制備微流控單元的各相流量相同，從而確保各個(gè)液滴制備微流控單元的均勻性。Stolovicki等[66]結(jié)合3D打印技術(shù)制造了含有120個(gè)直孔式臺(tái)階型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置，液滴制備時(shí)整個(gè)集成化放大裝置完全處于連續(xù)相內(nèi)，隨著分散相的注入，分散相液滴逐漸生成，通過(guò)浮力作用上升脫離液滴產(chǎn)生點(diǎn)，避免了液滴聚集影響后續(xù)液滴的生成，實(shí)現(xiàn)了10000ml/h水滴的大量制備，液滴直徑約1000μm，CV≈5%。

3 基于被動(dòng)分裂形成液滴的微流控集成化放大

3.1 被動(dòng)分裂形成液滴的微流控單元

在T形結(jié)構(gòu)或Y形結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)，利用液滴與通道壁面狹縫間的壓力突降被動(dòng)分裂形成液滴已經(jīng)成為應(yīng)用于微流控單元集成化放大的一種重要的形成液滴方式[67]。大直徑的液滴隨連續(xù)相注入T形結(jié)構(gòu)或Y形結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)，破碎形成更小的子液滴。液滴破碎前，大直徑的液滴處于被拉伸延長(zhǎng)的狀態(tài)，以便于液滴和微通道壁面間形成狹縫，液滴的分裂受到毛細(xì)管數(shù)與拉伸延長(zhǎng)系數(shù)的共同影響[68]。在液滴能夠分裂的條件下，T形結(jié)構(gòu)或Y形結(jié)構(gòu)下游兩臂通道流阻的對(duì)稱性影響著液滴分裂形式[68-69]。如果兩臂通道流阻相等，液滴分裂形式為對(duì)稱分裂[70][圖5(a)]，液滴將被平分為相同體積的子液滴。如果兩臂通道流阻不等，液滴分裂形式為非對(duì)稱分裂[70][圖5(b)]，液滴將被分為不同體積的子液滴，兩個(gè)子液滴體積的比值與兩臂通道流阻的比值成反比。對(duì)于被動(dòng)分裂形成液滴的微流控單元，生成液滴的大小和均勻性對(duì)連續(xù)相流量的依賴性極高。因此，該類型液滴制備微流控單元的集成化放大僅需要對(duì)連續(xù)相進(jìn)行分配，使得每級(jí)分支的兩臂通道流阻保持一致，從而確保生成液滴尺寸的高度單分散。該類型微流控系統(tǒng)的各個(gè)微通道高度相等，屬于簡(jiǎn)單的二維結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)加工制造。

圖5 基于被動(dòng)分裂形成液滴的微流控單元[70]Fig.5 Microfluidic droplet formation unit based on passive break-up mechanism[70]

3.2 樹形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)被動(dòng)分裂乳化微流控單元的集成化放大

由于液滴尺寸及均勻性對(duì)分支流阻的依賴性，被動(dòng)分裂液滴制備微流控單元的并聯(lián)采用樹形網(wǎng)絡(luò)。圖6展示了樹形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)多個(gè)被動(dòng)分裂液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內(nèi)液滴的制備[71]。該類型微流控單元集成化放大裝置內(nèi)的樹形網(wǎng)絡(luò)一般含有一個(gè)液滴的連續(xù)相入口以及一個(gè)乳液相出口，各個(gè)被動(dòng)分裂液滴制備單元位于樹形網(wǎng)絡(luò)的每一級(jí)分支交叉節(jié)點(diǎn)處。經(jīng)過(guò)每一級(jí)分支，液滴逐級(jí)分裂減小。另外，Y形流道交叉處，液滴分裂除了受到液滴與通道壁面狹縫間的壓力突降的影響，同時(shí)也會(huì)受到流道交叉處的剪切影響。由于液滴是柔性的，沖擊具有極小受力面積的Y形流道交叉處時(shí)流道交叉對(duì)柔性液滴具有一定的剪切分裂作用；因此，Y形結(jié)構(gòu)可能在更低的毛細(xì)管數(shù)條件下實(shí)現(xiàn)液滴的分裂。單個(gè)樹形網(wǎng)絡(luò)耦合被動(dòng)分裂液滴制備微流控單元時(shí)，裝置制造僅需雙層結(jié)構(gòu)直接密封制造，制造過(guò)程簡(jiǎn)單，大大降低了制造難度。軟光刻技術(shù)[71-73]等是實(shí)現(xiàn)此類型微流控單元集成化放大裝置的主要方法。

圖6 基于被動(dòng)分裂形成液滴微流控單元的集成化放大：樹形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)被動(dòng)分裂液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內(nèi)部單乳液滴（a）和雙重乳液滴（b）的制備過(guò)程光學(xué)圖[71]Fig.6 Integration of microfluidic droplet formation units based on passive break-up mechanism：Optical photographs of generation of single emulsion droplets(a)and double emulsion droplets(b)in integration device coupled tree network with passive break-up droplet generators[71]

樹形網(wǎng)絡(luò)自身結(jié)構(gòu)對(duì)稱，流經(jīng)各個(gè)被動(dòng)分裂液滴制備微流控單元路徑的流阻完全一致，流入各個(gè)液滴制備微流控單元的流量相同，從而確保各個(gè)液滴制備微流控單元的均勻性。Abate等[71]提出了利用被動(dòng)分裂形成液滴提高單液滴和雙液滴產(chǎn)量的方法，結(jié)果表明，要使毛細(xì)管數(shù)保持在一個(gè)恒定的最佳值，以達(dá)到最佳的水滴破裂。如果毛細(xì)管數(shù)過(guò)低，液滴可能不會(huì)分裂；如果毛細(xì)管數(shù)過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生衛(wèi)星液滴。Hoang等[72]利用樹形網(wǎng)絡(luò)耦合被動(dòng)分裂乳化單元制備氣泡，確定了氣泡非均勻性的三個(gè)來(lái)源：節(jié)點(diǎn)前氣泡大小不均勻、氣泡不破裂引起的不均勻性以及制造公差引起的流動(dòng)不對(duì)稱。為了提高均勻性，提出T形接頭的毛細(xì)管數(shù)必須超過(guò)臨界值以確保所有氣泡分裂，并且修正毛細(xì)管數(shù)足夠大。Kim等[73]對(duì)比了各個(gè)分支寬度為變化值和恒定值時(shí)，整個(gè)集成化放大裝置的流阻和壓降，發(fā)現(xiàn)變化寬度時(shí)，集成化放大裝置的流阻和壓降更小，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更大流量液滴的制備。通過(guò)耦合512個(gè)被動(dòng)分裂形成液滴的微流控單元，實(shí)現(xiàn)了15ml/h W/O液滴的大量制備，液滴直徑40μm，CV＜5.5%。

4 結(jié) 論

液滴制備微流控單元的集成化放大是液滴微流控技術(shù)面向工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵和技術(shù)難點(diǎn)，其一般方法是利用流體分配網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)多個(gè)液滴制備微流控單元。流體分配網(wǎng)絡(luò)的主要作用是均勻分配流體，使得匯入各個(gè)液滴制備微流控單元的關(guān)鍵流體的流量相同，從而確保制備得到的乳液及微球產(chǎn)品的均勻性。梯形網(wǎng)絡(luò)和樹形網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用于微流控單元集成化放大的兩類主要流體分配網(wǎng)絡(luò)。樹形網(wǎng)絡(luò)自身結(jié)構(gòu)對(duì)稱，設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)須考慮內(nèi)部流阻分配，支路流阻Rg一般較小，操作能耗低，但制造誤差造成的流阻變化相對(duì)于支路流阻Rg的比例較大，容易受到制造誤差的影響；但是，梯形網(wǎng)絡(luò)自身結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮內(nèi)部流阻分配，一般內(nèi)部支路流阻Rg遠(yuǎn)大于干路流阻Rd。相較于支路數(shù)相同的樹形網(wǎng)絡(luò)，梯形網(wǎng)絡(luò)的支路流阻Rg一般更大，制造誤差造成的流阻變化相對(duì)于支路流阻Rg的比例更小，不易受制造誤差的影響。對(duì)于不同類型的液滴制備微流控單元，微通道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和液滴尺寸對(duì)兩相流量的依賴性不同，流體分配網(wǎng)絡(luò)數(shù)量和裝置制造難度也不相同。

通過(guò)不同類型液滴制備微流控單元的集成化放大，已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)大批量單分散液滴模板的制備，但仍存在一些問(wèn)題亟待解決：（1）液滴模板進(jìn)一步合成功能微球時(shí)一般為非連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，需要二次操作合成微球，大量液滴模板保存以及二次操作過(guò)程時(shí)導(dǎo)致液滴易聚并，液滴及功能微球的均勻性降低；因此，如何通過(guò)液滴模板實(shí)現(xiàn)大量單分散功能微球的連續(xù)生產(chǎn)仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。（2）目前，微流控單元集成化放大裝置的應(yīng)用合成體系多為光引發(fā)聚合、溶劑揮發(fā)等體系，操作過(guò)程簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)；但對(duì)于許多高附加值單分散微球的大量制備，比如可用于生物醫(yī)用等領(lǐng)域的海藻酸鈣、殼聚糖、聚乙烯醇等功能材料單分散微球的大量制備，仍需拓展微流控單元集成化放大裝置的應(yīng)用合成體系。（3）目前流體分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)均基于等效假設(shè)和簡(jiǎn)化推導(dǎo)，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際流體分配均勻程度未得到模擬或?qū)嶒?yàn)的流體分配數(shù)據(jù)直接驗(yàn)證。（4）在流體分配網(wǎng)絡(luò)分配均勻的前提下，制造誤差對(duì)液滴模板的均一性影響較大；因此，開發(fā)更高精度的微通道制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)更加均勻、尺寸更小的單分散液滴和微球的微流控法大量制備的重要保障，也是推動(dòng)液滴微流控集成化放大應(yīng)用進(jìn)程的重要技術(shù)支撐。