| 标题 | 微流控液滴技术及其应用的研究进展 |
| 范文 | 刘赵淼 杨洋 杜宇 逄燕 摘要微液滴具有体积小、比表面积大，速度快、通量高，大小均匀、体系封闭，内部稳定等特性，在药物控释、病毒检测、颗粒材料合成、催化剂等领域中均有重要应用。微流控技术的发展为微液滴生成中实现尺寸规格、结构形貌和功能特性等的可控设计和精确操控提供了全新平台。本文概述了微流控液滴技术的基本原理、液滴生成方式及其基本操控，比较分析了微液滴的传统制备法与微流控合成法的异同，介绍了近年来微流控液滴技术在功能材料合成、生物医学和食品加工等领域中的研究新进展，探讨并展望了微流控液滴技术的潜在价值和未来发展方向。 关键词微流控技术； 微液滴； 液滴操控； 微通道； 评述 1引言 微流控液滴技术是近年来在微流控芯片上发展起来的一种研究幾微米至数百微米尺度范围内微液滴的生成、操控及应用的新技术[1～4]。微流控法生成液滴过程中，互不相容的两种液体分别作为连续相和离散相，在固定体积流率的注射泵的驱动下各自进入不同的微通道，当两股流体在交叉点处相遇后，离散相流体继续延伸形成“塞状”或“喷射状”的液柱后在连续相流体的剪切和挤压作用下，由于自由界面不稳定性而破裂，“塞状”或“喷射状”的液柱被夹断，以微小体积（10单元的形式分散于连续相中形成液滴[5，6]。微液滴常作为微反应器，实现生化反应、试剂快速混合以及微颗粒合成等，极大程度地强化了微流控芯片的低消耗、自动化和高通量等优点。随着微机电系统（MEMS）的不断发展，微流控液滴技术被广泛应用于药物传输、生物工程、疾病防护、化学分析、细胞研究和功能材料合成等诸多领域[7～13]，并起着至关重要的作用。 微液滴的传统制备方法主要包括高速搅拌法[14]、逐层沉积法[15，16]、膜乳化法[17～19]和界面聚合法[20～22]等，这些方法通常需要多级处理和特定的乳液合成配方，并且无法实现对复杂结构微液滴的壳层厚度或内部腔室结构及组分等的精确调控，直接影响了后续借助一定手段固化而成的微颗粒的稳定性、机械性能以及不同物质之间渗透性的优劣。此外，由于传统合成工艺所用的剪切力可变性高，致使合成微粒的尺寸和形态差异较大， 且单分散性有限。 微流控法作为一种新型、稳健的液滴合成方法，具有以下显著优势： （1）体系封闭，传质传热效率高，反应条件稳定， 且试剂消耗量少，能有效避免交叉污染，后处理简便； （2）鉴于微尺度流体优良的流型操控性能、特殊的层流效应和相界面特性（如界面聚合、界面萃取、多重乳液和液滴融合等）等，在合成具有独特化学成分和可控形状的微液滴方面表现出极大的灵活性。（3）能通过若干单级微通道的互相组合升级为具有复杂结构的微流控系统，在无需引入外加刺激源及进一步的提纯操作的情况下，实现一步式合成粒径分布很窄的目标尺寸的微液滴。这些优势使微流控液滴技术不仅有效克服了传统制备方法的不足，同时确保了对活性组分的有效封装，为实现生物制药、病毒检测、化学分析以及食品/化妆品加工等提供了全新平台[23～25]。 由于通道几何结构、液相流量等物性参数决定了影响界面形变的局部流场的分布，而微通道中液滴的断裂机理又关系到黏性力与两相界面张力之间的平衡[4，26～30]。因此，前期的研究多集中于探讨通道的几何结构、两相黏度、流速、浸润性和界面张力等参数的影响， 以实现对微液滴尺寸、形貌、均一度等的精确调控。本文将综述微流控液滴技术的基本原理、液滴生成方式及其基本操控，介绍近年来微流控液滴技术在功能材料合成、生物医药和食品加工领域应用的最新进展，并就其潜在价值和未来的发展趋势进行展望。 2微流控液滴技术 2.1微液滴的生成方式 目前，基于微流控体系的液滴生成方法中，最常用的有主动式和被动式两种[2，6]。在主动式中，主要采用诸如热量、气压、压电、微阀和磁场等外场驱动力实现液滴生成。相比主动式而言，被动生成方法无需施加外场作用，直接利用微通道几何结构的限制促使流场交界面发生变形、界面不稳定性增加，从而生成离散相液滴。被动式液滴生成技术不仅可以生成大小均一、单分散度好、空间分布均匀（微液滴尺寸分布的标准偏差小至1%～3%）的连续液滴串，还能有效避免外界作用干扰，消除交叉污染。根据材料和通道结构的不同，在被动式中微流控装置主要分为以下3类（见表1）。 2.1.1基于PDMS材料加工而成的微流控装置[31～33]主要特征是成本较低、制作简便，构建的通道结构灵活多变，对UV光的投射性好，拥有独特的弹塑性，能与载玻片和曲面基板进行面接触。主要用于合成球形颗粒、多相结构颗粒（Janus颗粒）和截面形状可变的二维挤压式非球形颗粒。但是，PDMS在非极性溶剂中的溶胀作用是妨碍其应用的主要因素。根据PDMS基微流控装置几何结构的差异以及液相流体流动方向的不同，微液滴的生成可分为以下5种基本形式： （1）二维挤压结构[34，35]； （2）型微通道[36，37]； （3）流动聚焦型微通道[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采用毛细玻璃管搭建的微流控装置[43～45]根据嵌套结构的多样性又可分为单乳液滴和复乳液滴两种结构（如表1（i）～（k）所示）。当离散相通过玻璃管进入主通道时，两相界面在被同向引入的连续相剪切力作用下出现由表面张力引发的PlateauRayleigh不稳定性，失稳后形成液滴。该结构主要用于生成核壳或多重乳液包裹的复合结构微粒。其主要缺点是对毛细管的制造技术要求较高，且不适于生成二维结构的挤压颗粒。 2.1.3基于台阶式结构的液滴生成装置[46] 离散相沿板块中间的小孔流入微通道，在流经台阶处时迅速膨胀成椭圆形小液滴，到达台阶末端后与收集渠中的连续相接触，在两相界面张力的作用下，转变为球形液滴（如表1（l）所示）。这种结构可控性差，且不适于生成复杂结构/功能的微乳液滴，故应用范围的灵活性受到极大制约。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和玻璃片等也可用于构建微流控装置，但其应用范围没有PDMS和毛细玻璃管普遍。此外，文献[47～49]还研究了流量参数和溶剂组合的改变对生成微粒结构/功能的调控，以及在最优流量比下能形成稳定液滴的流型特征。 基于微流控液滴技术，并结合一定的固化手段[50，51]，已实现了可控制备球形、非球形、核壳结构、微胶囊和Janus微粒等不同形貌及功能化的微颗粒[1～7]。这些微颗粒因具有结构复杂、形貌特殊和功能多样等特点， 被广泛应用于功能材料合成、生物科学（如药物传输、细胞封装和微毒物筛选）、药剂学、环境科学、电子技术和再生能源等领域 [4，6，7]。图1所示为利用微流控法制备的球形颗粒以及不同结构复合微粒的体系图。 2.2微液滴的基本操控 随着微流控液滴技术的飞速发展，更多涉及微液滴后续操控、调节和功能化的技术也被同步发展。通常，一旦微液滴生成之后，可根据实际需求利用主动或被动方法对微液滴进行精确操控和调节。例如， 为了进行扩大平行反应需进行液滴分裂； 为了将液滴作为微反应器，进行复杂的化学反应和生物实验，需进行不同试剂间的液滴融合和液滴内部混合； 为了对特定液滴进行内部分析，需根据不同属性进行液滴捕获和分拣等等。 常见微液滴的基本操控主要包括以下几个方面[3～5，51～56]（图2）： （1）液滴融合； （2）液滴分裂； （3）液滴内部混合； （4）液滴捕获和存储。此外，在这些基本操控过程中，微液滴的相态能通过溶剂蒸发、聚合作用等方式进行改变。随着微流控技术的不断发展，液滴基本操控为实现大量液滴的多路复用技术，确保微液滴在大规模复杂生化体系中的应用提供了技术支撑，并在病毒检测、颗粒材料合成和高通量药物筛选等领域中显示出巨大的应用潜力。 3微流控液滴技术在不同领域的应用 3.1微流控液滴技术在材料合成领域的应用 随着微流控液滴技术的发展，该技术被广泛应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。通过替换用于发生反应的化学试剂的种类便能实现无机物、水凝胶、Janus及不同形貌微颗粒材料的可控制备，而且通过微通道的串联和并联还能实现对微颗粒结构形貌和尺寸规格等的连续精确调控，实现多相多组分复杂结构微颗粒材料的合成。 3.1.1无机/固态聚合物微粒Wang等[58]通过共聚焦型微流控系统，以Si/Al溶胶为分散相，以质量分数分别为68%，2%和30%的液体石蜡， Span85和三辛胺混合溶液为连续相，一步式制得了具有表面孔洞，可控孔尺寸为40～150 μm，颗粒尺寸为450～600 μm的硅铝复合空心球，用作催化剂载体。丁学强等[59]以聚丙烯酰胺丙烯酸和聚乙二醇/聚丙烯酸两种水凝胶作为模板，以丙烯酸做抑制剂，采用类似结构合成了iO2微球。由于聚乙二醇/聚丙烯酸水凝胶的吸水膨胀率更小， 前驱体溶液的稳定性更高，故微球的球形度、单分度等均得到显著提高。 Wacker等[60]将异硫氰酸荧光素（FIC）染料、乙醇和氨丙基三乙氧基硅烷（APES）的反应液与正硅酸乙酯（EOS）混合得到荧光硅醇盐前体溶液，利用聚焦型微流控系统合成微乳液滴，再经固化获得具有荧光标记功能的SiO2纳米颗粒（50～350 nm），用于减少染料泄漏，提高染料稳定性。他们还通过精确控制反应物浓度和反应时间提高了合成微粒的粒径均一度（350 nm微颗粒的相对标准偏差降至3%以下）。 Yang等[61]利用微流控技術在光聚合作用下合成了直径约为3.3～3.7 mm的低密度海绵状微壳，并研究了在光敏聚合作用中单体浓度和照明时间对PDVB（聚二乙烯基苯）微壳结构和性能的影响。发现PDVB微壳的孔隙体积和平均孔隙直径随着单体浓度和照明时间的增加而减少。该研究对实现毫米尺度PDVB微壳的最优化以及激光融合实验或ICF靶目标芯轴的具体应用有重要指导意义。 eshima等[62]利用流动聚焦型微流控系统，以包含白色和黑色凝胶微粒（即： 亚微米尺度的白色SiO2和黑色磁铁矿（Fe3O4）凝胶微粒）的悬浊液为离散相，以十六烷（包含质量分数为2%的Span80）为连续相，合成了在空气中能呈现不同结构性色彩的单分散性球形装配体（图3）。通过改变悬浮液中SiO2凝胶微粒的数量、尺寸分别实现对微球装配体平均尺度和颜色的调节，通过改变磁铁矿凝胶颗粒的数量实现对颜色饱和度的调节，这为合成环保且无化学毒害特性的结构染色材料提供了理想选择。 3.1.2水凝胶微粒 Zhao等[63]利用双同轴毛细管装置，以质量分数为2%的壳聚糖和乙酸混合液为内部相，硅溶胶为中间相，正辛醇溶液为外部相，合成了具有不同孔结构的壳聚糖/硅凝胶核壳型复合微球。该微球具有较高的机械强度和金属离子吸附性能，可用于固定Cu（II），催化苄基叠氮和苯乙炔之间的点击反应，当催化效率下降后，可用沉淀或者过滤的方法进行还原。Wang等[64]改进了上述装置，将较小的毛细管插进另一毛细管，并与锥孔对齐以减少两分散相之间的距离，消除流动条件的干扰。他们利用该装置成功合成了不同结构的单分散性中空水凝胶微球，并通过调节三相流速和CO2含量分别实现对双乳液滴结构及尺寸的精确调控。 Liu等[65]利用毛细管微流控系统合成了对Pb2+具有选择性吸附和分隔功能的智能核壳微球（图4A， B）。合成的PNB核壳型微球能选择性吸附Pb2+并与其合并为稳定的B18C6Am / Pb2+主客体复合物微球。该种微球对Pb2+的吸附能力随温度的升高而降低，这是由B18C6Am/Pb2+复合物的成形常数减小引起的。内部独立的磁性Fe3O4内核保证了对Pb2+有吸附功能的微球能通过外加磁场作用被迅速从处理液中分离出来，而且吸附Pb2+的磁性微球通过提高操作温度和去离子水冲洗便可实现再生。 利用一种可移除的助溶剂（DEE）将合成的稳定亲脂性碳氢化合物（NPs）直接混入脂性PFCs中，成功消除了耗时长和需对包含在PFCs中的NP表面进行特异性修饰等步骤。随后以合成的NPDEE/PFC溶液为连续相，水为离散相通过微流控系统合成了混合DEE的单分散性NPPFC前驱体液滴，再通过溶解和蒸发移除DEE，最后获得尺寸远小于微流控系统所限制的最小尺寸，并用NPs标记的单分散性PFC微乳液滴（图4C， D）。实现了微乳滴尺寸随先驱体液滴中PFC浓度的缩放，且当DEE移除后液滴中量子点（QDs）仍保持原位，这为合成用于医疗成像、癌症检测和治疗的新型NPPFC混合剂提供了重要平台。 3.1.3Janus及不同形貌微粒Janus颗粒最早由Gennes等[67]提出，是指微颗粒中表面积大致相同的两个区域拥有不同的化学性质、极性、稳定性等的多功能微粒，目前这一概念已扩展到不同区域包含不同组分的多种分段式非对称结构材料[68]（图5A），已有学者就微流控法合成Janus及杂化Janus微粒进行了广泛研究[69～75]。 通常， 微颗粒的尺寸和形貌是影响其功能实现与否的关键因素，相较于传统方法，微流控液滴技术在制备尺寸、形貌精确可控的微颗粒方面展现出较大优势。Dendukuri等[76]将一股含光敏剂聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）的流体注入矩形PDMS基微通道，同时暴露在可控脉冲的紫外光下，通过巧妙地设计掩膜，制备了一系列不同形貌的功能化凝胶微粒（图5B）。还有学者基于微流控液滴技术合成类球形[68]、棒状[69]、面包圈形[77]等不同结构和形貌的微颗粒展开了深入研究。 以葵花籽油作为连续相，以包含Fe3+/Fe2+的壳聚糖混合液为分散相，通过自制的十字形微通道一步式合成了磁性壳聚糖液滴。再将其滴入NaO溶液中进行固化、离心，最终获得尾状氧化铁壳聚糖复合颗粒。这种颗粒具有较高的包封率和较快的释放率，广泛应用于磁响应性药物载体、磁共振成像（MRI）促进剂等生物医学领域。Lin等[79] 利用类似结构，以海藻酸钠水溶液作为分散相，葵花籽油为连续相合成了尾状海藻酸钙微粒，并发现当交联剂氯化钙的浓度减小和海藻酸盐粘度增大时，颗粒的长度和直径均增加。他们还对比了尾状与球状海藻盐酸颗粒对于氨苄青霉素药物释放行为的影响，发现尾状较球状海藻盐酸颗粒的释放速度高，且随时间增加这种效果更加明显。 3.1.4核壳型及微胶囊颗粒 Goran等[80]采用玻璃毛细管微流控系统，探究了液相流率对合成微乳滴尺寸、单分散性和壳层厚度的影响，并通过控制流型转变实现对合成复乳液滴形貌及内部腔室结构的精确调控，有效克服了PDMS基微流控装置化学强度不高、易发生溶胀作用和不易实现表层属性功能化调控等缺陷。合成的微乳滴再通过聚合作用，获得球形、非球形、核壳型聚合物微粒，以及基于溶剂蒸发法自组装为包含可溶性双亲分子/微粒的多腔室微胶囊，该技术在合成新一代功能性囊膜材料方面发挥了显著作用。Polenz等[81]利用类似的微流控装置，以含胺的水相和含异氰酸酯的油相合成的复乳液滴为模板合成了单分散性聚脲微胶囊（PUMCs），还发现PUMCs的壳层厚度主要依赖于胺在所用油相中的溶解度，这为合成壳层厚度的可调范围在10m的PUMCs提供了一种便捷、高效的操作机制。 uang等[82]设计了一种坚固且易于组装的毛细管微流控系统，实现了流动模式由滴状流向喷射流转变时合成不同尺寸和封装组合的复乳液滴。他们还探究了相对液滴尺寸与无量纲数（如We， Ca等）、相对流速间的相互关系。该装置的优点在于： ①使用坚固的UMWPE做支架，免除了粘合剂和昂贵连接件的使用； ②使用玻璃毛细管增强了微通道的耐腐性和耐漏性，且易于对破损或阻塞的毛细管进行快速替换； ③能快速高效地合成大量接近单分散性的聚合物囊泡，用于疾病治理、药物传输、蛋白质存储等方面。 Liu等[83]利用玻璃毛细管组成的微流控系统，以四重组分的（O1+O2）/W/O型复乳液滴为模板合成了一种新型的具有磁性和温度双重响应特性的单分散性微胶囊。其包含一个热反应磁壳、一个偏心磁核和一个偏心油核，是实现疏水性物质特定位点的靶向传输和特定方向控制释放的有效载体（图6）。微胶囊的N异丙基丙烯酰胺微凝胶壳能在温度低于最低临界溶液温度（LCS）时保护封装的疏水性药物，而在环境温度高于LCS时突然释放。偏心油核能为封装的疏水性药物微粒提供更大的内部空间，偏心磁核使微胶囊不仅能用磁性引导实现向特定位点靶目标的平移运动，而且能引导其旋转运动实现在特定方向的控释。 基于微流控液滴技术已实现了可控制备具有高度单分散性的核壳型微粒和多腔室结构微胶囊，并通过改变液相流率、流质物性参数和通道几何构型等实现了对微粒尺寸、形貌、单分散度和壳层厚度等的精确调控。但目前基于该技术合成的微颗粒种类有限，主要集中于部分无机物、各类水凝胶和无机有机复合型微粒，极大地限制了其应用范围，还需进一步拓展基于微流控液滴技术合成微颗粒的结构类型和应用领域。 3.2微流控液滴技术在生物医学领域的应用 经过多年的发展，基于微尺度流体优异的流动操作特性以及微流控系统装配结构的多样性，微流控液滴技术在生命科学及医药分析领域的研究中也发挥了不可替代的作用。其中，在生物筛选和分段标记，特异性蛋白和组织重构以及细胞封装与病毒检测等方面均呈现出显著的优越性。 3.2.1生物筛选和分段标记Visaveliya等[84]利用微流控技术，以聚苯乙烯和含荧光基团的乙酸乙酯或二氯甲烷的均匀混合液为油相，蒸馏水为聚焦水相，高通量、一步式合成了尺寸、颜色可调的具有荧光编码功能的polyPGDA颗粒（图7A）。并通過添加合适的表面活性剂和调节两相流速比实现对微粒尺寸的精确调控。合成的聚合物微粒不仅具有较宽的尺寸调节范围，且能对内嵌在微颗粒中多相荧光基团的种类和浓度进行精确调控。图7B为将不同颜色的染料注入polyPGDA微颗粒获得的荧光微粒。 由于染色示踪荧光粒子为实现生物分子在调查和诊断中的高通量分析提供了一种有效途径，故该种微粒被广泛应用于生物筛选和分段标记等方面。 3.2.2特异性蛋白和组织重构akimoto等[85]利用微流控系统，结合反相悬浮交联聚合技术和分子印痕法成功合成了对人血清蛋白具有特异性吸附功能的可调范围在0.1～1.0 mm之间的单分散性凝胶微粒。该凝胶颗粒易于合成、稳定性高、较传统亲和性抗体的保质期长，且无需添加任何抗体。Wu等[86]基于毛细管微流控系统，使用两步硅化过程合成了单分散性海藻酸钠/鱼精蛋白/二氧化硅（APSi）混合微胶囊。该胶囊具有较高的封装效应、存储稳定性和快速传质特性，对牛血清白蛋白的封装效率高达99%，且混合微壳的厚度超薄，仅为420 nm。 Yamada等[87]利用液滴在微流控系统中的不均衡性研发了一种合成单分散性高浓度胶原蛋白微颗粒的新方法（图8A），以合成的固体微粒为支架，实现了微尺度下真实细胞培养环境中细胞外基质（ECM）组件的重构，并探究了影响微粒尺寸和单分散性的各项因素，发现当调节微颗粒和细胞的比例为1∶1时干细胞特异性较好，对肝功能有明显改善作用。Griffin等[87]采用微流控装配式的构建模块合成了支架组织，用于实现创伤位置重塑和微创手术后的组织再生（图8B），并通过调节微流控系统的几何结构以及液相流速实现了利用构建模块的尺寸对支架组织的微孔率和物理、化学性能的调控。 3.2.3细胞封装与病毒检测Akbari等[89]利用微流控系統结合改进的内部凝胶化方法制得封装有细胞的海藻酸钠液滴。再经过洗涤和固化后得到单分散微粒，该颗粒直径小至26 μm，却有高达1 kz的细胞生存率，且细胞在颗粒中能继续生长。该装置利用同向流动的微流体来消除细胞与凝胶化试剂碳酸钙粒子接触而产生的损伤，并通过化学平衡来减小暴露于低p环境下对细胞造成的损伤。u等[90]利用不同的荧光染料对不同类型的细胞进行染色，随后将其封装在微液滴中，再将所得微乳滴注入一个结构紧凑的分拣装置用以实现高倍显微镜下的细胞分析和在靠近焦平面处的细胞固定，还可通过双色分拣实现对两种不同细胞进行特异性收集和分析。 ao等[91]研发了一种基于微液滴技术并结合空斑试验和实时定量PCR技术的免培养型微流控系统，用于实现对病毒感染性的快速、低成本和高精度定向检测（图9）。病毒复制和检测均在微液滴中进行，从而确保了单个感染事件的可靠性。他们将包含宿主细胞的单个病毒封装在大量皮升尺度的微液滴中进行孵化，利用单个病毒的复制周期紧随液滴内部基因特异性扩增完成感染性检测。随后将合成的微乳滴与具有基因特异性PCR的混合物结合，当目标病原出现时发出荧光，再通过专门的液滴阅读器进行量化，确定病毒感染的数量。他们还与传统空斑试验结果做了对照，通过测定单个病毒中和抗体的有效性进一步证实了该技术的实用性。这种方法还适用于对细菌、真菌等其它病原体感染性的测定。 与传统生物分析方法相比，微流控技术易于进行集成设计，除实现在体外模拟细胞所处的复杂微环境，完成定量检测和分析之外，还为完成活细胞的定位、处理和观察提供了一种新途径。但现阶段的研究工作多针对单一结构的微通道展开，微流控装置的重复利用率不高，微液滴/微颗粒的生产速率较低。因此，未来如何降低制备成本、提高合成效率，实现批量化、可控式制备结构形貌和尺寸规格精确可控的微液滴/微颗粒，进而广泛应用于生命科学和疾病治疗等还有待于深入研究。 3.3微流控液滴技术在食品加工领域的应用 通过微流控液滴技术可获得微乳滴、固态脂质微颗粒、自组装体以及包含一个或多个内核的微胶囊等多种类型的食品结构。它们除了可用于制作低脂肪食品、修饰食品的质地和味道、避免化合物氧化，还可用作活性化合物或功能化合物等的有效封装和控释，防止生物酶和胃肠道内部其它不利条件（诸如离子浓度和p值等）的干扰[92]。因此，在食品行业中，微流控液滴技术是合成结构形貌和尺寸规格精确可调的微乳滴或微颗粒，进而用于食品结构设计和功能调控等的有效手段。 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黄酱和调味品，而W/O型微乳滴用于合成黄油、人造奶油、加工酸奶和乳酪或构建冰激凌底层结构等。目前，传统的食品合成方法（如： 高速搅拌或快速混合等）无法实现对微乳滴粒径分布的精确调控，且合成的微乳滴单分散度不高。此外，为了加速液滴破碎，系统中引入的强剪切力还会造成蛋白质变性、降解或者电热/切应变敏感化合物的活性降低。而微流控技术能够便捷、高效地获得粒径分布在几十到数百微米之间具有高度单分散性的微乳滴或微颗粒，实现活性组分等的有效封装，故在食品加工中得到重要应用。 Okushima等[96]通过包含两个连续型结构的微通道，利用“两步式”液滴生成法合成了单分散性W/O/W型双重微乳滴（图10A），并通过调节内/外部液滴的分裂速率实现对液滴内部包含微乳滴数目的精确调控。他们又将第一步合成中的型结构换为十字交叉型获得了内部包含两种液相的多重微乳滴。Abate等[97]在同一个微通道中设置多个连续的十字交叉结构，并在不同的交叉口处交替改变通道润湿性合成了双重、三重或更多重数的微乳滴（图10B），还通过控制流型实现对微乳滴的调控。这种方法适用于一般不易发生分离的粘弹性流体的破碎，但对装置的润湿性进行精确控制以确保对亲/疏水相的封装会加大微流控系统的制造难度，所以，现阶段玻璃毛细管微流控系统在合成壳层厚度可控的核壳结构或多腔室多组分的复乳液滴方面的应用更为普遍[98，99]。 3.3.2微颗粒基于微流控液滴技术合成的单/多重微乳滴再经过固化便能获得几微米至数百微米范围内的单分散性微颗粒[100]，其具有更窄的粒径分布和更均匀的力学性能[101]。微乳滴的固化增加了系统的稳定性，并保护其内部化合物免受外部媒介（如： 氧气、光照和反应环境等）的干扰。另外，将微颗粒暴露在特定条件下（如： 温度、P、活性酶等）能实现其内部化合物在特定位置的释放。 Shintaku等[102]基于微流控液滴技术，使包含生物高聚物溶液的液滴与另一个包含交联离子的液滴碰撞融合实现了凝胶化（图11A）。这种方法无需向连续油相中添加表面活性剂即可达到较好的融合效果，缺点是对液滴碰撞概率的依赖性较高。另外，当凝胶化出现在两相液滴融合之后，但在融合后的新液滴达到稳定之前时，将难以获得界限清晰且均质的微球，造成微粒尺寸的单分散性不高，变形系数较大。Ren等[103]采用微流控法合成液滴后，在下游添加交联剂水溶液使得生物高聚物和交联离子在水、油流柱的交界面发生反应实现凝胶化（图11B）。 在利用微流控液滴技術进行食品加工时，由于整个操作过程都是在严格的层流条件下进行的，故非常适于对其流动过程进行精确调控。但是目前的研究主要聚焦于对合成微粒尺寸、形貌、单分散度和内部腔室结构等的设计和调控，而对微乳滴/微颗粒生成过程中涉及的力学原理、液相流动规律以及液液相界面的反应机理和传质过程等的研究还较缺乏。如何利用微流控技术实现食品结构设计、生物活性成分的可控封装和控释以及结构敏感型食品材料的加工等还需进一步的研究。 4结 论 本文概述了微流控液滴技术的基本原理、液滴生成方式及其基本操控，比较了传统微液滴制备法与微流控合成法的异同，介绍了近年来微流控液滴技术在功能材料合成、生物医药和食品加工等领域中的最新研究进展，主要得出以下结论： （1）微流控液滴技术具有精确可控、操作简便和易于扩展等优点，有效克服了传统制备方法的不足，实现了对微颗粒尺寸、形貌、单分散性和内部腔室结构等的精确控制，为合成具有特殊结构形貌和功能特性的多组分复合结构微液滴/微颗粒提供了可能。（2）微流控液滴技术在功能材料合成、生物医药和食品加工等领域已展现出巨大的应用前景。为进一步促进该技术在药物传输、细胞封装、化学分析、疾病治疗等领域的技术创新和产业化应用，还需要系统开展有关微液滴合成及其固化过程中力学原理和流动特性等方面的研究。（3）微流控液滴技术的研究目前尚处于起步阶段，合成微液滴的尺寸形貌和结构功能等的调控范围还不能完全满足实际应用的需要。因此，如何降低制备成本，提高微乳滴的合成效率，以更经济、更环保、更适用于实际生产的方法实现复杂结构微液滴/微颗粒的批量化制备还有待于进一步研究。 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 |
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