張 民,張正煒,張艷紅

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海200237)

1 前 言

微球通常是指粒徑范圍在1～300μm 的球狀實(shí)體，也有小于1μm 納米粒子和直徑達(dá)1 000 μm 的更大的顆粒[1]。為了滿足微球在材料合成、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域的應(yīng)用需求，通常在以高分子材料為骨架的基礎(chǔ)上，進(jìn)行各種改性。制備微球的方法有多種，例如交聯(lián)固化法[2]、溶劑揮發(fā)法[3]、液滴微流控技術(shù)等。較于前兩者，液滴微流控技術(shù)可以制備多種性能優(yōu)良的聚合物粒子。例如在化學(xué)分析領(lǐng)域，可用于高效液相色譜填料；在制藥方面，將藥物鑲嵌在微球內(nèi)部，控制微球大小，可以改善藥物在體內(nèi)的吸收與分布；在吸附表征方面，通過改造微球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以增大微球比表面積，進(jìn)而增加吸附量。綜上所述，針對不同的需求，可以衍生出多種架構(gòu)不同、功能不同的微球。液滴微流控技術(shù)(microfluidics)是指基于微觀尺度下，在幾十至幾百微米的通道內(nèi)對流體進(jìn)行操控的一種技術(shù)。該技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，Skegges[4]提出一種間隔式連續(xù)流動技術(shù)，在流體管道中進(jìn)行分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)，顛覆了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法。發(fā)展至今，在裝置搭建方面經(jīng)歷了3次重大突破：首先是1998年，Xia 等[5]提出了關(guān)于聚二甲基硅氧烷(PDMS)軟刻蝕的方法，PDMS 材料的出現(xiàn)是微流控技術(shù)的重要突破，為微流控技術(shù)的蓬勃發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)；其次是在2001年Thorsen 等[6]突破了連續(xù)流的限制，實(shí)現(xiàn)了液滴的剪切，開啟了液滴微流控的歷史；最后是2005年，哈佛大學(xué)的Utada 等[7]采用玻璃毛細(xì)管制備了微流控裝置，這一舉措豐富了微流控技術(shù)方法的種類，目前大多數(shù)微流控制備微球的實(shí)驗(yàn)都是基于毛細(xì)管進(jìn)行的。不管微流控技術(shù)如何變化，顧名思義，始終是“微流”與“控”的組合?！拔⒘鳌睂儆诹鞯涝O(shè)計，“控”屬于儀器，兩者組合完成對單相或者多相流體的精確控制與操作。微流控技術(shù)利用互不相溶的液體，在流體剪切力、壓力以及表面張力的共同作用下，可形成單分散、粒徑可控和分布均勻的微球。針對不同的需求，以微球?yàn)檩d體加入具有不同功能的材料，可以合成高分子微球或者聚合物粒子[8]。微流控技術(shù)包含3個重要分支：液滴微流控、數(shù)字微流控和連續(xù)微流控。其中液滴微流控技術(shù)[9]作為微流控芯片研究的重要分支，利用互不相溶的多相液體通過縮頸、拉伸、成球步驟后產(chǎn)生分散微液滴的非連續(xù)微流控技術(shù)。本文綜述了近年來采用液滴微流控裝置制備核殼型[10]、多孔型[11]以及各向異性顆粒[12]等不同形態(tài)功能型微球的研究進(jìn)展，同時也指出了傳統(tǒng)方法制備的弊端，從中得到啟發(fā)。

2 微球的傳統(tǒng)制備方法

在微流控方法還沒有得到普及之前，制備各種微球的傳統(tǒng)方法包括噴霧干燥法[13]、懸浮聚合法[14]、離子交聯(lián)法[15]和乳液蒸發(fā)法等。上述方法都存在外力不穩(wěn)定，不同相混合時剪切力不均勻等弊端。導(dǎo)致得到的微球粒徑分布不均勻且粒徑難以控制；粒徑差異明顯，小至十幾微米，大至幾百微米；甚至可能會使內(nèi)部活性物流失，改變微球形貌。例如，在吸附領(lǐng)域，某些特定的裝置如旋流器對粒徑有嚴(yán)格的要求，由于粒徑的差異導(dǎo)致微球的體積、密度不均勻，進(jìn)而造成錯誤的數(shù)據(jù)結(jié)果[16]。懸浮聚合法雖然是目前最為常見的制造多孔微球手段，但是需要通過機(jī)械攪拌或者振蕩等人工條件或分散劑的作用，將液相分散成液滴，期間需要添加引發(fā)劑和致孔劑，成球后還要去除殘留的致孔劑，需要多次清洗，工序非常繁瑣；再加上攪拌過程中力的不穩(wěn)定性，造成微球粒徑不均勻，而且內(nèi)容物質(zhì)容易從孔道中流出與接收相反應(yīng)導(dǎo)致雙向污染。馬歡[17]采用懸浮聚合法制備Li2O微球，需要將Li2O3漿料注入液氮，在低溫真空環(huán)境下進(jìn)行煅燒，成本非常昂貴。

液滴微流控技術(shù)相對操作簡單，制備的微球大小均勻、體系封閉、單分散性好，粒徑偏差可以穩(wěn)定控制在5%以下，特定條件下甚至可以達(dá)到1%；而且，試劑消耗量低、實(shí)驗(yàn)安全系數(shù)高、可以控制內(nèi)部組成含量、實(shí)現(xiàn)更加有序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；另外，均勻的球形形貌在回收再利用方面的優(yōu)勢也非常突出，因此成為當(dāng)前微球制備的主要實(shí)驗(yàn)手段。

3 液滴微流控研究

液滴微流控技術(shù)是Thorsen 等[6]首次提出，隨后Nie等[18-19]先后報道了液滴微流控技術(shù)的研究成果：生物相容性極佳的微球，可以運(yùn)用在醫(yī)學(xué)診斷中；含有單個或多個液芯的聚合物膠囊，用于藥物口服。Wang等[20]在2017年將微流控裝置分為聚二甲基硅氧烷軟刻法(PDMS)裝置和毛細(xì)管裝置。在PDMS裝置中，分散相與連續(xù)相在同一微通道中進(jìn)行剪切，制備過程簡單，裝置氣密性好；在毛細(xì)管裝置中分散相需單獨(dú)一支通道接入連續(xù)流動的管道，在流體界面處剪切成球，效率高且成本低。但是，兩種裝置依然各有不足：PDMS裝置由于其材料本身的性質(zhì)，在流體通過通道內(nèi)壁時對疏水性分子進(jìn)行吸收，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)的定量分析，即使采用改性表面技術(shù)，也很難達(dá)到理想效果；毛細(xì)管組裝的微流控系統(tǒng)，無需對壁面進(jìn)行修飾，但是對裝置的尺寸精度和清潔程度要求極高，實(shí)驗(yàn)操作過程中極易造成玻璃通道的堵塞。毛細(xì)管裝置衍生出了3種結(jié)構(gòu)（如圖1所示）：共軸型(co-flow)[21]、聚集型(flow-focusing)[22]及T 型(T-injunction)[23]微流控裝置。

圖1 PDMS裝置(左)和毛細(xì)管裝置(右)制備微球的裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the PDMSdevice(left)and capillary device (right)for preparing microspheres

通過圖1的基本裝置或加以改進(jìn)，可以完成對液滴的分裂、融合、分選、捕獲以及定位，制備的液滴單分散性很好，有助于定量研究；同時反應(yīng)速度較快，試劑消耗量少，能節(jié)省大量試劑，操作也較為安全。經(jīng)過對試劑的選擇，可以設(shè)計出水包油(O/W)[24]、水包氣(G/W)[25]等乳液，通過增加毛細(xì)管裝置的級數(shù)或在PDMS上開更多通道完成更為復(fù)雜的油包水包氣(G/W/O)[26]、水包油包水(W1/O/W2)[27]液滴和復(fù)合乳液[28]。產(chǎn)生的這些液滴通過UV照射、加熱[29]、化學(xué)反應(yīng)[30]或溶劑蒸發(fā)[31]等多種手段，固化得到單分散的顆?；蛘吣z囊。通過進(jìn)一步的后續(xù)處理，可以得到諸如各向同性均勻微球、核-殼型微球、Janus等復(fù)雜的顆粒，這些粒子可以運(yùn)用在生物探針[32]、表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)(SERS)檢測[33]、重金屬吸附[34]、藥物控釋[35]、環(huán)境檢測[36]多個研究領(lǐng)域，也可以在物理學(xué)中光[37]、熱[38]、磁[39]等各種相應(yīng)特性中發(fā)揮作用。

近年來，利用液滴微流控技術(shù)已經(jīng)成功制備出核殼型微球、多孔型微球、各向異性微球、中空微球等多種特殊結(jié)構(gòu)的微球。鑒于在吸附、環(huán)境監(jiān)測、藥物傳遞、顆粒示蹤等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，研究工作以核殼型、多孔型和各向異性微球的制備居多。

3.1 核殼型微球

核殼結(jié)構(gòu)通常以內(nèi)部的核和包覆在外部的殼構(gòu)成，具有優(yōu)異的化學(xué)和物理性能。一般通過分子間的作用力將兩者結(jié)合，是一種構(gòu)造新穎的復(fù)合材料。傳統(tǒng)核殼型微球制備通常采用乳液聚合法，步驟多，操作復(fù)雜，影響因素包括乳化劑的種類、用量和親水性等。

通過微流控裝置可以對核殼結(jié)構(gòu)微粒的組成成分、粒徑大小進(jìn)行針對性設(shè)計，還可以包埋不同組分和不同尺寸的內(nèi)核，從而具備磁、光、生物反應(yīng)等不同特性。這類微球在微反應(yīng)器、示蹤顆粒等多個不同領(lǐng)域有著廣闊的前景，例如在藥物上的靶向傳遞[40]等。一般而言，內(nèi)核與外殼由不同材料組成，外殼在保護(hù)內(nèi)核不受外界環(huán)境影響的同時還能增加微球或顆粒的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)性能；限制微球個體的體積變化，保證完整性；確保分散性保護(hù)核心不聚集成大顆粒；限制外部離子選擇性進(jìn)入核心，保護(hù)活性核。微通道內(nèi)流體相的物理參數(shù)和壁面材料，是形成核殼型的關(guān)鍵。王號元等[41]在水包油乳液體系基礎(chǔ)上，考慮離散相物性、壁面效應(yīng)和接觸角等多個參數(shù)，對液滴的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬計算，研究了離散相在連續(xù)相剪切作用下，形成核殼型結(jié)構(gòu)的機(jī)理，明確了液滴形成的穩(wěn)定性與流體參數(shù)、微通道材料的相關(guān)性。如圖2所示，是一種2級的共軸型微流控裝置。由3支圓管和2支方管組成，一共有三相液體，分別是內(nèi)相(IP)、中間相(MP)和外相(OP)。內(nèi)相經(jīng)中間相剪切形成分散的、獨(dú)立的小液滴后進(jìn)入2 級管道，由流速較快的外相液體包裹，從而形成微球。通常MP 以紫外光聚合單體為基底，如交聯(lián)劑二甲基丙烯酸二醇酯(EDGMA)等[42]，添加表面活性劑和光引發(fā)劑，這樣在紫外燈照射下液滴可以得到固化，而IP 和OP 則根據(jù)乳液模板選擇成分。

Gong等[43]利用液滴微流控技術(shù)，以阿司匹林溶液為分散相作為內(nèi)核，將Fe3O4顆粒添加到殼聚糖溶液中作為連續(xù)相，采用PDMS為板材制作聚焦型微流控裝置，合成了具有核殼結(jié)構(gòu)的液滴，再添加戊二醛與殼聚糖發(fā)生席夫堿反應(yīng)，得到以殼聚糖為外殼，阿司匹林為內(nèi)核且嵌有Fe3O4顆粒的微球。這樣的微球由于外殼具有極佳的生物相容性和無毒性，能夠很好地封存阿司匹林，具有緩釋作用。Yang 等[44]將FeCl2和FeCl3按比例混入殼聚糖溶液作為分散相，添加油相剪切，形成的單分散液滴進(jìn)入NaOH 水溶液中，干燥固化后，得到內(nèi)部含有Fe3O4納米顆粒的蝌蚪型微球。這類微球?qū)τ拖嗾宫F(xiàn)出極好的吸附能力，在磁鐵作用下還具備磁響應(yīng)特性，利于回收再利用。如圖3所示磁性微球的制備過程以及微球在40 s內(nèi)完成吸附同時展現(xiàn)出磁響應(yīng)特性。

圖2 三相液體進(jìn)口位置(D 為各圓管的直徑)Fig.2 Schematic diagram of flow from channels of inner phase (IP),middle phase (MP)and outer phase (OP)(D isthe diameter of each round tube)

圖3 利用微流控裝置制備得到的具有磁性的殼聚糖微球Fig.3 Magnetic chitosan microspheresprepared with a microfluidic device

Vericella 等[45]采用聚焦型微流控裝置，制備了具有高滲透性的以硅酮為外殼，內(nèi)含碳酸鹽液芯的核殼型微膠囊，通過這種封裝的形態(tài)可以完成對CO2的捕獲，與普通的液體吸附劑相比，能大幅提高對CO2吸附量。如圖4所示，CO2通過高滲透性的硅酮外殼擴(kuò)散到內(nèi)部，被液態(tài)的碳酸鹽內(nèi)芯吸收，又通過加熱釋放CO2，實(shí)現(xiàn)CO2的捕獲與再生循環(huán)。

圖4 通過聚焦型裝置制備得到的微球完成對CO2 的吸收與解吸Fig.4 Microspheres prepared by a focusing device for CO2 absorption and desorption

核殼型微球是將不同材料和結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，內(nèi)部相互協(xié)同穩(wěn)定的活性粒子。這樣的形態(tài)衍生了豐富的架構(gòu)和功能：對結(jié)構(gòu)而言，有狹義的核殼結(jié)構(gòu)、蛋黃殼結(jié)構(gòu)[46]、中空結(jié)構(gòu)。區(qū)別在于內(nèi)部空間的利用，核與殼之間的腔體是否存在空隙或由多相組成，以及核的數(shù)量；對功能而言，得益于核殼微球的結(jié)構(gòu)能夠保護(hù)并封存內(nèi)部物質(zhì)，具有優(yōu)越的轉(zhuǎn)換和儲存性能。在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，核殼微球能夠在特定環(huán)境中打開外殼，釋放內(nèi)核用于靶向傳遞。核殼微球也可以與金屬氧化物結(jié)合，在生物電池，催化劑等方面發(fā)揮作用。

3.2 多孔結(jié)構(gòu)微球

多孔結(jié)構(gòu)微球具有多孔結(jié)構(gòu)，因此微球的密度低，比表面積大，滲透性強(qiáng)。由于孔隙率大，在吸附方面的應(yīng)用尤為廣泛，尤其在催化和儲能等領(lǐng)域，另外在生物學(xué)的組織再生方面也具有極佳的應(yīng)用前景。隨著孔隙率的增加，不僅在微球表面，微球內(nèi)部也會釋放更多的吸附位點(diǎn)，從而提升微球的吸附能力。Wang等[47]以液滴微流控方法制備了形貌均一的殼聚糖多孔微球，通過添加聚乙烯亞胺(PEI)增添吸附位點(diǎn)增強(qiáng)化學(xué)吸附能力，對重金屬離子的吸附量提升了3倍。制備多孔微球的方法有很多，諸如反向懸浮聚合法、沉淀聚合法等，對微球粒徑、粒徑偏差、制備方法的難易程度綜合比較，還是液滴微流控方法更加優(yōu)越。采用微流控裝置制備多孔微球，無論采用模板法還是添加制孔劑，孔徑的偏差都較小，而孔徑是影響微球選擇性吸附的主要因素。表1給出了不同制備方法得到的微球的孔徑和孔徑偏差數(shù)據(jù)。

表1 不同制備多孔結(jié)構(gòu)微球方法的比較[20]Table1 Comparison of different methods for preparing porous microspheres [20]

be continued

圖5 HIPE 體系制備多孔微球的過程[55]Fig.5 Processof preparing porous microspheresin HIPE system[55]

多孔微球的制備方法與核-殼型微球類似，可以使用高內(nèi)向復(fù)合乳液(HIPE)體系，利用氣體的揮發(fā)制作模板，如H2O2、NH4HCO3等；溶液在內(nèi)相中混合，于光照條件下會分解成不溶于微球的氣體，如：O2、CO2、NH3、N2等。如圖5所示，將內(nèi)部含有H2O2的乳液通過UV 光線照射，H2O2受熱分解，產(chǎn)生氣體并逸出，形成多孔結(jié)構(gòu)。王飛[33]利用內(nèi)相含有H2O2的復(fù)合乳液，外相為水相，添加黏度調(diào)節(jié)劑，在紫外燈照射下，H2O2分解出O2向外逸出，形成孔道，基于表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)(SERS)，通過激光照射，還原接收AgNO3溶液，在多孔微球表面形成銀納米簇，從而制備出表面具有SERS活性的多孔微球，將其運(yùn)用在污染物的吸附和表征。在微球制備過程中，由于氣體產(chǎn)生的這些孔道大小不均勻且無規(guī)則，孔隙尺寸在1～100 μm，而且在光照下殼體會固化，因此需要精準(zhǔn)控制試劑用量以及光照強(qiáng)度，才能保證產(chǎn)生的氣體在固化前逸出，微球制備過程及SERS檢測如圖6所示。Yu 等[56]利用液滴微流控裝置制備了大孔的單分散聚甲基丙烯酸甲酯-羥乙基甲基丙烯酸酯(PMMA-HEMA)微球。如圖7所示，采用均相乳化法制備油包水(W/O)為內(nèi)相，進(jìn)入外相后，形成W1/O/W2型乳液，在自由基聚合過程中，包含了大量的微小水滴，成球后浸入水中，原本嵌入的小水滴就會松動離開，留下了均勻一致的大孔結(jié)構(gòu)微球。這類微球可以大幅度提高對油的吸附能力，在油-水分離領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。盡管在裝置上采用的是簡單的共軸型結(jié)構(gòu)，但是在一級裝置中就能做到W1/O/W2型模板，而且不必?fù)?dān)心會有殘留的雜質(zhì)，更方便地控制孔徑大小。

圖6 HIPE 體系制備多孔微球用于SERS檢測[33]Fig.6 Preparation of porous microspheresby HIPE system for SERSdetection [33]

圖7 毛細(xì)管微流控裝置制備均勻多孔聚合物Fig.7 Preparation of homogeneousporouspolymer by a capillary microfluidic device

圖8 自制T 型微流控裝置制備多孔碳球Fig.8 Preparation of porouscarbon spheres by homemade T-type microfluidic device

Wang等[57]對聚焦型的微流控裝置進(jìn)行了改進(jìn)，氣體和液體分別從兩個相反的方向進(jìn)行對沖進(jìn)入芯片，形成了規(guī)則有序的蜂巢型多孔微球；在后續(xù)煅燒操作中，碳纖維溶液形成的微球，會自發(fā)形成無規(guī)則的孔道。Ju等[58]在自制的T型微流控裝置中制備了多種尺寸可控的中空含碳無機(jī)氧化物核殼和中空微球，如圖8所示的步驟：功能性丙烯酸酯(FA)單體和正硅酸乙酯(TEOS)在水中發(fā)生聚合反應(yīng)，在濃硫酸的作用下得到PFA微球和SiO2，由于靜電作用，SiO2附著在微球表面，通過煅燒得到介孔率為89%的中空的SiO2微球。PFA 微球與傳統(tǒng)模板法制備的多孔微球相比，增加了中空結(jié)構(gòu)，提升了吸附容量。多孔微球與核殼微球制備的流程相類似，因此兩者在結(jié)構(gòu)上也相似。多孔微球通過物理方法或化學(xué)反應(yīng)在核殼微球的基礎(chǔ)上制備成孔。由于孔隙率較大，與核殼微球多孔微球相比，多孔微球的機(jī)械性能較差，在強(qiáng)度和硬度方面也不如核殼型。

3.3 各向異性微球

圖9 不同組合下的各向異性顆粒結(jié)構(gòu)示意圖[59]Fig.9 Schematic diagram of anisotropic particle structure in different combinations[59]

各向異性顆粒，具有非對稱的形狀或不均勻的性質(zhì)，在自然界中廣泛存在，如生物細(xì)胞、花粉顆粒等。這類顆粒表現(xiàn)出不同于其他類型微球的物理化學(xué)性質(zhì)，在催化劑、生物醫(yī)藥，示蹤成像等多種領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。各向異性顆粒的分類方法有很多，主要有Janus型顆粒(Janus particle)[56]、patchy型顆粒(patchy particle)[57]、多組分顆粒(multicompartment particle)[58]，如圖9所示，可以衍生出8種類型[59]。其中Janus顆粒，是以雙面羅馬神命名，具有嚴(yán)格的雙相對稱幾何結(jié)構(gòu)，擁有不同的成分和特性，大量運(yùn)用在無機(jī)物、有機(jī)物材料中。patchy型顆粒能夠精確控制且排布粒子之間的相對位置，具有高度自序的自組裝功能，因此有著多種分類，如鏈狀、螺旋狀等[60]。而multicompartment 顆粒，是一種多相分離的核殼結(jié)構(gòu)，一般由親水性外殼以及疏水性不同的內(nèi)核構(gòu)成，不同組分在結(jié)構(gòu)上是獨(dú)立的，但是相鄰組分具有協(xié)同作用，表現(xiàn)出高度的功能性，被廣泛應(yīng)用于催化[61]等領(lǐng)域。非球形顆粒是一種典型的各向異性顆粒，利用液滴微流控裝置制備非球形顆粒需要改變流體通道的形貌或者是改變分散相黏度來調(diào)節(jié)顆粒的最終形狀，對形貌加以約束，可以制備出橢球狀、棒狀等顆粒[62-63]。模板聚合法[64-65]、機(jī)械拉伸法[66-67]、激光3D直寫法[68]也可以制備各向異性微球，但是傳統(tǒng)制備方法在粒徑精度控制方面略顯不足。Shang等[69]在2013年首次采用玻璃毛細(xì)管裝置制備并研究了SiO2磁性納米顆粒，一面是光子晶體，一面是磁性半球的Janus顆粒，光子晶體可以在掃描電鏡下觀察，而磁性半球可以在磁場的誘導(dǎo)下運(yùn)動，這類微球具有重要的實(shí)用價值，在流場、磁場內(nèi)可觀察并捕捉其運(yùn)動軌跡。Sanchez[70]利用Janus顆粒的成像和活細(xì)胞跟蹤技術(shù)，通過Janus探針模擬在人體內(nèi)所表現(xiàn)出的平移和旋轉(zhuǎn)，研究細(xì)胞與粒子之間的吞噬、擴(kuò)散等復(fù)雜的相互作用。另外，可以通過改變外部磁場控制具備磁性的Janus顆粒的方向和位置，可以應(yīng)用于磁共振成像和藥物傳遞，對細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)研究具有重要意義。邱陽[71]提出了以滲透壓原理及聚合層類膜通道為基礎(chǔ)的制備方法，首次合成了具有指針狀的各向異性顆粒。如圖10所示，偏心狀態(tài)下的液滴，在UV照射下，微球發(fā)生鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)，形成網(wǎng)絡(luò)，造成微球內(nèi)部與外部孔隙率的差異，構(gòu)成類膜通道。在接受相與內(nèi)相不同濃度差下，內(nèi)核發(fā)生擴(kuò)散并依據(jù)濃度差的大小發(fā)“遷移”，形成視覺上的指針狀，在內(nèi)相中添加磁性材料如Fe3O4微小顆粒后，顆粒具備了定性且十分直觀的指向性功能。Ghosh 等[72]基于液滴微流控的合成方法，制備了雪人形狀的Janus水凝膠顆粒。對PDMS板材進(jìn)行表面改性處理，內(nèi)相N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)溶液與油相在連接處發(fā)生剪切，分裂成均勻的液滴后進(jìn)行部分蒸發(fā)處理；由于水相與油相的界面張力和化學(xué)性質(zhì)不同，液滴變形為諾爾曼型Janus顆粒；在UV照射下，以布朗運(yùn)動為主而非沉降作用完成交聯(lián)，具有高熱反應(yīng)性和自組裝特性。由于具有雙各向異性，這些粒子可以作為凝膠形成模擬膠體系統(tǒng)。如圖11所示。

圖10 指針型顆粒的形成機(jī)理Fig.10 Formation mechanism of pointer type particles

圖11 雪人狀Janus顆粒的微流控裝置以及蒸發(fā)后的光聚合演化過程Fig.11 Schematic diagram of the microfluidic device for yeti-like Janus particles and the photopolymerization evolution process after evaporation

Wu等[73]基于液滴微流控裝置制備了具有花生形狀的各向異性顆粒結(jié)合磁性粒子，實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，為特殊磁性載體提供了新的思路。吳子謙[74]通過觀察蜘蛛絲上紡錘狀隆起的生物現(xiàn)象，利用微流控裝置制備了有仿生價值的紡錘狀石墨烯纖維，在水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了對油類物質(zhì)的吸附和聚集。

通常而言，制備各向異性微球至少需2個分散相：當(dāng)這2 個分散相在微通道內(nèi)發(fā)生混合，沒有清晰的對稱性時，所制備的顆粒只是一個普通的均質(zhì)球，因此有學(xué)者在通道中再增加一個通道來隔離2個分散相保持對稱性。進(jìn)入共用通道的2 個分散相在相同流速下應(yīng)具備同樣的黏度，以避免因黏度不均勻造成顆粒成球失敗；當(dāng)2個分散相不相溶時，由于液-液的界面張力，就有可能出現(xiàn)3種形態(tài)[75]：完全吞噬(核殼型)、部分吞噬(Janus)和沒有吞噬(2個單獨(dú)的液滴)，而這3種形態(tài)會發(fā)生相互轉(zhuǎn)換，所以要在適當(dāng)時機(jī)通過光聚合等手段固化顆粒，鎖住分散相。

4 總結(jié)與展望

本文綜述了傳統(tǒng)方法在制備功能型微球技術(shù)方面的缺陷與瓶頸，突出液滴微流控技術(shù)的便利與優(yōu)勢，總結(jié)了液滴微流控技術(shù)制備核殼型微球、多孔結(jié)構(gòu)微球和各向異性微球的裝置和方法、微球的結(jié)構(gòu)、功能和應(yīng)用等。液滴微流控技術(shù)與醫(yī)藥、生物、化學(xué)、機(jī)械、物理等學(xué)科不斷地深入結(jié)合，也促進(jìn)了液滴微流控技術(shù)的蓬勃發(fā)展。然而，微流控技術(shù)依然存在許多不足。首先，實(shí)驗(yàn)環(huán)境較為苛刻，難以批量化生產(chǎn)；其次，對于成球材料物性的要求非常嚴(yán)格，限制了微球結(jié)構(gòu)和功能的多樣化；再次，功能性微球在投入到檢測、吸附、細(xì)胞培養(yǎng)等實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用后，回收再利用難度較大；最后，多相流體在微流控裝置中運(yùn)動和傳質(zhì)機(jī)理尚不明確。如何實(shí)現(xiàn)對微球孔道尺寸的控制，使其擁有封裝多種活性材料的能力，是未來微流控技術(shù)研究的主要方向。