本刊网刊
微液滴因其比表面积大、热质传递效率高、具有天然隔离效应,以及微环境可精准调控等优势,在化工过程强化、生物医药、功能材料制备以及单细胞分析等领域展现出广阔的应用前景
[1‒3]。与机械搅拌、超声乳化、膜乳化等传统制备方法相比,微流控技术因能在微米级通道内对多相流流动行为进行精确操控,从而为高品质微液滴的可控构建提供了一种崭新的技术平台。然而,基于微流控技术的液滴制备单元产率较低,通常小于10 mL/h,无法满足产业化应用需求,已成为微液滴广泛应用的关键瓶颈。因此,发展基于微流控技术的液滴高通量可控构建方法迫在眉睫。目前,基于微流控技术的液滴高通量制备方法主要遵循“数量放大”准则,即通过增大液滴制备单元的数量来实现液滴产率的提升
[4‒5]。然而,随着液滴制备单元数量的增加易出现单元之间的流量分配不均,从而导致液滴单分散性变差。此外,对于复合液滴等复杂结构体系,其形成过程涉及多界面耦合,在高通量构建时更易出现稳定性和均一性下降的问题
[6]。因此,液滴的微流控高通量构建仍面临品质与产率难以协同提升的瓶颈。本文主要介绍了近年来液滴微流控高通量可控构建方法的研究进展,着重介绍了基于树形网络、梯形网络和模块化集成的并联量产,基于阶梯乳化和界面浸润诱导失稳等机制的流量解耦放大方法,基于液滴对称分裂实现倍增量产的构建策略,以及三维堆叠式放大策略。此外,还介绍了基于并联量产和对称分裂的复合液滴微流控高通量可控构建方法。
1 液滴的微流控高通量可控构建方法
1.1 基于并行放大的液滴微流控高通量可控构建方法
并行放大是实现液滴微流控高通量构建最直接且广泛采用的策略,即通过增加液滴制备单元数量来实现液滴产率的线性提升
[4‒5]。目前,已发展出并联梯形、并联树形以及模块化集成等多种并行放大结构
[6],然而,随着并联微通道的增多,相距较远的单元之间流阻差异增大,流量分配不均
[7‒9],导致液滴均一性下降
[10‒11]。为此,研究者主要提出了两种解决思路:一是基于流阻‒流量解耦的液滴高通量构建;二是基于流量‒分散解耦的液滴高通量构建。
1.1.1 基于流阻‒流量解耦的液滴高通量可控构建
流阻‒流量解耦是指通过对微通道结构设计使得支路通道尽可能满足相同的流动阻力分布,从而实现流量的均匀分配。梯形网络因结构紧凑、几何形状简单、易于集成等优点而成为主要的并行放大网络之一
[12]。
图1(a)展示了典型的梯形网络结构,即由两条平行的干路通道(一个分配通道和一个接收通道)以及连接两者的大量分支微通道构成,每个分支微通道通常为一个液滴制备单元。工作时,分散相和连续相分别由两条干路通道引入,在各分支通道的液滴制备单元处生成微液滴并收集。然而,随着并联支路微通道的增多,相距较远的单元之间流阻差异增大,导致流量分配不均,因而造成液滴均一性下降。为此,研究者假设相邻通道之间的流量差小于0.01即认为每个支路基本满足流量的均匀分配,而第1个和第
N个通道的最大流量差为2
N/
K(
K为支路通道流阻
RB与分配通道流阻
RD之比),从而提出了梯形网络中的流量均匀分配定量设计准则(2
N/
K0.01)
[13]。据此,Yadavali等
[14]构建了硅和玻璃的超大规模并联微流控液滴制备装置,在单个装置中集成了10 260个流动聚焦液滴制备单元,液滴生成频率超过2.7×10
8。然而,这种推导规则忽略了前后分布微通道之间的流动变化,打破了流动分布的均匀性
[15]。基于此,Deng等
[15]提出了一种倒推流动分析(backstepping microflow analysis,BMA)的梯形网络设计方法。首先,假设各分支通道内流量
Qa完全均匀,利用倒推法建立从出口到入口的流阻递推关系;然后,通过最小化并联通道中任意两个支路的阻力差,推导出逆流操作与顺流操作需满足的定量条件。如
图1(b)、(c)所示,逆流时,
N2/
K0.01;而顺流时,0.25
N2/
K0.01。
图1(b)~(d)中,
i取1~
N。与前述设计准则对比发现,BMA设计的网络在分支通道内流速更均匀,如
图1(d)所示。同时,采用BMA准则制备的含200个液滴制备单元的共流梯形网络(B‒200)在分散相和连续相流速各为2.5 mL/h时,可生成平均直径约159.53 μm、变异系数(coefficient of variation,CV)为3.81%的单分散液滴,如
图1(e)所示,相比于已有规则设计的E‒200装置,生成液滴单分散性更好,如
图1(f)所示。更重要的是,B‒200装置可在更宽的流速范围内使CV维持在小于5%的水平,显著优于已有规则设计的E‒200装置,如
图1(g)所示。
梯形网络因每个液滴制备单元流体路径不同,存在流体分配不均的固有缺点,而树形网络由于每个单元路径的高度对称性成为液滴制备单元并行放大的另一类主要流体分配网络。如
图2(a)、(b)所示,该结构通常由一根主干通道起始(第0级),经
n次对称二分叉(“Y”形或“T”形节点)逐级延伸,形成层级递进的树状结构。每经一级分支,通道数量翻倍,最终在末端产生2
ⁿ个并行子通道。树形网络的核心设计原则在于其结构上的严格对称性。由于微通道内的流动通常为层流,因此几何对称进一步保证了流体流动对称性,从而自发实现均匀的流量分配
[4,16]。Li等
[9]基于128个流动聚焦单元的树形网络,实现了50 g/h聚N‒异丙基丙烯酰胺颗粒的制备,CV小于5%。Nisisako等
[17]通过144个流动聚焦单元的树形网络实现了180 mL/h的微液滴构建,CV小于2%。理论上,树形网络因高度对称性克服了并行微通道中的流量分配不均,然而,实际操作中,随着分叉次数的增多,微通道尺寸逐级变小,容易造成通道堵塞,而个别通道的堵塞将会影响整个系统流量分配的均匀性。对此,Conchouso等
[18]设计了一种三维可堆叠流动聚焦液滴制备单元阵列。该装置采用分形树状对称分配网络,将每层128个液滴生成单元分为4组,每组有独立的输入和输出通道,仅在最高层级连接。这种结构能在一定程度上缓解通道堵塞问题,即使某个层发生堵塞,只需关闭该层的输入或输出并适当调整压力,其余层仍能正常工作,保持原有液滴尺寸和分布均匀性,如
图2(c)~(e)所示。然而,树形网络虽然能提高流体分配的均匀性,但空间利用率偏低,且随着分支级数增加,末端通道扇形范围急剧扩张,大量芯片面积被分配流道占据,限制了功能单元的集成密度;其次,在树形网络中,任一支路发生堵塞都会破坏网络的对称流阻平衡,导致流量重新分配并沿层级传导
[4,19‒20]。
尽管上述提到的梯形网络和树形网络在一定条件下能改善流量分配的均匀性,然而,传统的一体式微流控芯片在面对通道堵塞、规模扩展受限,以及设计灵活性等问题时仍存在局限
[21‒23]。为此,研究者提出了模块化集成,即将复杂的系统拆分为若干个可独立组装和替换的模块,其核心优势主要体现在3个方面:一是可更换,即当某个液滴生成模块发生堵塞或泄漏时,无须废弃整个系统,仅快速替换故障模块即可恢复生产,如Li等
[9]提出的多模块微流控反应器,每个模块包含16个平行的微通道,分别承担乳化和聚合功能,故障后及时更换,不会影响后续设备使用;二是可扩展,即通过增加模块数量(如堆叠更多层或串联更多级)实现通量提升,无须重新设计芯片整体结构,如Han等
[24]设计了由8通道单阵列和10层垂直堆叠组成的并行放大模块(80个液滴制备单元),并通过集成5个相同模块,将总通道数扩展至400,显著提升了微通道数量;三是设计灵活,即模块化集成将复杂的流动分配网络拆分为可独立优化和组装的标准单元,摆脱了一体式芯片中所有通道尺寸必须满足严格耦合约束的困境,能够针对不同流体性质和工艺要求灵活调整局部设计。
据此,Deng等
[22]进一步提出了灵活分形集成策略(FFI),如
图3(a)~(c)所示,将“H”形分形网络用于流体均匀分配,并与并联液滴制备模块相结合,构建了包含256个液滴制备单元的模块化系统。
图3(a)中,
r为流量分配模块中的流阻,
图3(c)中,S‒0~S‒
m表示嵌套级数。该分形网络能够在较宽的结构尺寸范围内实现流量的均匀分配,使系统在大规模扩展条件下仍保持良好的运行稳定性,且制备液滴的CV小于2%,实现数百毫升每小时的单分散微液滴连续生产,如
图3(d)~(f)所示,进一步提升了模块化微流控系统的可扩展性与工程应用潜力。
1.1.2 基于流量‒分散解耦的液滴高通量可控构建
如前所述,梯形网络、树形网络和模块化集成等传统并行放大方法高度依赖多通道间的流量分配,流量分配的均匀性直接影响了液滴单分散性。从另一个角度,研究者提出了液滴生成过程与流量参数解耦的新策略,典型的有基于阶梯乳化单元的液滴高通量构建方法。与传统依赖连续相剪切力实现液滴断裂的“T”形或流动聚焦等主动剪切方式不同,基于阶梯乳化单元的液滴生成主要依赖微通道出口处几何结构突变导致的界面曲率变化所产生的拉普拉斯压差,使得液滴尺寸主要由微通道的几何参数决定,而非受两相流量控制
[25‒27],如
图4(a)、(b)所示。Ofner等
[28]设计了含364个线性并行液滴制备单元的玻璃芯片,液滴尺寸几乎不随分散相和连续相流速变化,证明了阶梯乳化中液滴尺寸与流动参数的解耦,最终以高达25 mL/h的分散相流量稳定生产单分散液滴,CV值低至2.8%,且能连续运行10 h保持稳定。如
图4(c)、(d)所示,Dangla等
[29]成功实现了256个液滴制备单元并行的规模化集成,在
Q=20 μL/min的分散相流速下,该装置产生体积226±16 pL、频率1.5 kHz的单分散液滴。然而,基于阶梯乳化的微流控构建方法对分散相与通道的浸润性有较高的要求,即接触角须大于120°,否则难以产生单分散的液滴。
在最近的研究中,Su等
[30]提出了基于浸润诱导界面不稳定的流量解耦液滴生成新策略。该方法主要由界面张力和润湿作用主导,如
图5(a)所示,分散相从锥口末端挤出,形成一个悬挂液滴,当悬挂液滴下降至与下方不混溶的连续相接触时,连续相会自发沿液滴表面向上铺展,产生向下的界面力,打破原有的受力平衡,使微滴根部迅速颈缩,发生断裂,最终在连续相中形成尺寸均一的微液滴。这一过程中,三相接触线处产生了由界面能主导的向下驱动力,使液滴的断裂主要由锥口到气‒液界面的垂直距离决定,与分散相流速、锥口直径以及流体物性显著解耦。同时,该方法具备良好的可扩展性,如
图5(b)、(c)所示,采用16个并行锥口的放大装置可在640 mL/h的分散相流量下以2 451的频率生成单分散液滴,CV值仅为2.9%,且可以乳化黏度高达56 600 mPa·s的分散相液滴。
1.2 基于对称分裂的液滴微流控高通量可控构建方法
与液滴制备单元的并行放大不同,对生成液滴进行二次操控,通过多级对称分裂实现液滴的倍增量产是另一种液滴高通量构建策略。如
图6(a)、(b)所示,对称分裂集成放大系统多采用树状分叉网络,在对称的“Y”形分叉通道中,两侧分支的流体阻力相等,因此液滴在两个分支中的延伸速度和体积流量一致,从而实现等体积分裂,大液滴通过多级通道依次等分为更小的液滴,随着分裂次数
n的增加,液滴数量呈2
n 倍增
[31‒32]。Vigogne等
[33]采用三级液滴分裂装置,将初始液滴数量增至8倍,如
图6(c)、(d)所示,液滴直径从约300 μm逐步缩小至约150 μm,并成功制备出CV值为3%~5%的聚丙烯酰胺微凝胶;Li等
[34]则在“Y”形二分裂的基础上设计了多分叉(1分5)微通道,当液滴足够大时,可以完全占据通道,此时5个分支中的子液滴体积趋于相等,如
图6(e)~(g)所示。基于对称分裂的集成放大技术具有单芯片高集成度和低复杂度的优势,属于简单的二维结构,容易加工制造,显著提升生产效率,为液滴微流控高通量构建提供了一条核心技术路径
[32,35]。
1.3 基于三维结构的液滴微流控高通量可控构建方法
除了基于平面式的并行放大和对称分裂倍增等策略,离心式微流控和三维堆叠微流控结构由于空间集成密度大的优势也为微液滴的高通量构建提供了重要的技术路径。
离心式微流控主要利用旋转产生的离心力驱动分散相流体流出喷嘴,在无需外接注射泵的条件下实现液滴生成,具有结构紧凑、死体积低和易于集成等优势。Schuler等
[36]提出离心式阶梯乳化方法制备了液滴直径在120~170 μm的单分散液滴,CV值为2%~4%,单个喷嘴的液滴产生频率超过500,且液滴尺寸在0.01~1.00 μL/s的分散相流量范围内基本不受流量波动的影响。随后,进一步构建了含72个喷嘴的离心式高通量设备,可制备高内相比乳液,在20 Hz转速下液滴直径约156 μm,产生频率达到3 700,CV小于4%
[37]。该研究团队在离心力场中引入了浮力驱动,进一步提高了液滴产生频率,当制备100 μm液滴时,在100 Hz的旋转频率下,单个喷嘴的产生频率超过了2 800
[38]。
三维堆叠结构主要通过空间维度拓展液滴制备单元的数量,以提高单位芯片内的液滴制备通量。Jeong等
[6]报道了三维单体弹性体器件3D MED,在单个弹性体结构中集成1 000个并联的流动聚焦液滴制备单元,可在1.5 L/h的通量下制备直径约45 μm的微液滴,CV值为6.6%,生成频率超过8.7×10
6。此外,3D打印技术的快速发展,也为三维堆叠式的液滴微流控高通量构建装置的加工带来了便利。Fimmer等
[39]通过3D打印技术构建了垂直堆叠式放大装置,堆叠了28个流动聚焦单元,制备通量达到3 L/h,500 μm粒径的微液滴产生频率达1.3×10
4。上述不同液滴微流控高通量构建方法的性能对比见
表1。
2 复合液滴的微流控高通量可控构建方法
相较于单液滴,复合液滴因独特的核‒壳结构而在药物递送
[42‒45]、细胞封装以及先进功能材料制备等领域受到广泛关注。然而,多界面的引入使得复合液滴的形成过程涉及更复杂的流体动力学与界面稳定性问题。一方面,复合液滴的形成通常需要连续完成两次乳化,因此,不同体系需要针对不同区域进行相应的润湿性调控;另一方面,由于分散相增多,需要同时兼顾内相和中间相的流量分配,因此,其高通量可控构建面临通道壁面浸润性调控和多相流量均匀分配的双重挑战
[46‒47]。在未对通道进行选择性表面改性时,通道壁面浸润性是一致的,此时,复合液滴的制备局限于内相和中间相与通道浸润性一致的情形,如O/O/W或W/W/O结构。Nisisako等
[17]设计了一种带有同轴环形接口的微流控平台,制备了O/O/W复合液滴,内核CV为5.7%,外壳CV为2.0%,如
图7(a)~(d)所示。然而,对于W/O/W或O/W/O复合液滴体系,内层乳化与外层乳化过程对应不同的连续相环境,因此要求液滴生成区域具有不同的界面润湿特征,故需对微通道进行图案化的局部改性。Wu等
[46]通过光刻技术在硅/玻璃芯片上实现了微米级精度的空间润湿性图案化,通过倾斜紫外曝光实现了三维通道侧壁的均匀改性,并利用高稳定性的全氟辛基三氯硅烷选择性构建疏水区域,从而成功制备了W/O/W和O/W/O两种类型的复合液滴,并进一步集成了50个复合液滴制备单元,实现了30 mL/h的复合液滴高通量构建,内外径CV均小于5%,如
图7(e)~(g)所示。
与依赖润湿性图案化的策略不同,两步阶梯乳化通过先成核、后包裹的串联几何结构实现复合液滴的高通量制备,其中第一级阶梯乳化首先产生单分散的内核液滴,第二级装置则将含有内核的中间相再次通过台阶结构,在外相中乳化形成复合液滴
[49],这种设计有效避开了润湿性改性的工艺瓶颈。如
图7(h)所示,Ofner等
[50]提出了两步串联阶梯乳化策略用于高通量制备复合液滴。通过调控两级台阶高度比,可分别制备薄壳型(
d1/
d2>1、壳厚3 μm、CV为4.2%)、厚壳型(0.6<
d1/
d2<1、CV为2.4%)和多核型(
d1/
d2<0.6、CV为4.6%)复合液滴,并集成了1 000个液滴制备单元,通量高达50 mL/h,可连续稳定运行超过5 h。然而,该两步法存在两级液滴生成频率难以匹配的问题,使得复合液滴的内核数量无法定量控制,导致其单分散性差,如
图7(i)~(j)所示。
与单液滴对称分裂的集成放大类似,复合液滴也可通过对称分裂实现产率倍增与尺寸调控。Liu等
[51]系统研究了双重乳液在“Y”形微通道中的破裂模式,建立了流速比、液滴尺寸与破裂行为之间的关系,揭示了对称分裂、非对称分裂及不完全破裂等典型机制。在此基础上,Fan等
[52]提出了多通道并联与多级分裂相耦合的复合液滴集成放大新策略,即首先通过复合液滴制备单元的并联实现第一次量产,而后串联多级“Y”形分裂,实现2
n 倍增。由此设计了多通道并联与三级对称分裂耦合的微流控网络,如
图8(a)~(c)所示,所得核层液滴和壳层液滴的CV值分别为3.79%和2.85%,具有优异的单分散性。而后以该双乳液为模板,通过UV固化中间相成功制备了高单分散性的聚乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯微胶囊,如
图8(d)、(e)所示。
3 结论与展望
尽管液滴微流控技术能实现液滴尺寸和品质的精准调控,但单通道结构所固有的产率瓶颈限制了其工业化应用,因此,亟需发展基于微流控技术的液滴高通量构建方法。基于梯形网络、树形网络和模块化集成的并行放大策略通过增加液滴制备单元数量实现了产率提升,并通过优化多相流分配网络改善了液滴的均一性,其中,梯形网络集成密度高、树形网络结构对称性强、模块化集成则兼具可更换和可扩展的工程化潜力。然而,该类方法本质上仍属于流量耦合型液滴生成模式,其性能高度依赖多通道间流量的均匀分配,当并联规模进一步扩大时,易出现流量分配不均,从而导致液滴单分散性急剧下降的问题。为此,进一步发展出基于阶梯乳化、界面浸润诱导失稳等的流量解耦放大策略。该类方法利用界面张力主导的液滴形成机制,使液滴尺寸主要由微通道几何结构或界面润湿行为决定,而对流量变化不敏感,从而显著降低了大规模并联条件下对流量均匀分配的要求,但其流体体系种类和黏度范围等仍有一定的局限性。与增加液滴制备单元数量的思路不同,对称分裂策略通过几何约束诱导液滴连续分裂,实现对液滴数量的倍增放大,具有结构紧凑、放大效率高等优势,但多级连续分裂中的液滴稳定性、尺寸变化规律及界面稳定机制仍有待深入研究。除了基于平面式的并行放大和对称分裂倍增等策略,三维结构微流控装置由于空间集成密度大的优势也为微液滴的高通量构建提供了重要的技术平台。该类方法通过离心力、浮力驱动、垂直堆叠等结构,进一步突破了单位芯片的液滴制备通量。此外,并联量产和分裂倍增等方法也被应用于复合液滴的微流控高通量构建。然而,相较于单液滴体系,复合液滴涉及多界面协同演化和润湿行为调控,其高通量构建仍面临多相流体分配均匀性、液滴包封稳定性等挑战。
目前,液滴微流控高通量构建策略已实现液滴的高通量制备,但仍存在产率与品质协同提升的挑战,主要体现在:并行通道之间的流阻差异、加工误差和压力波动容易导致流量分配不均,从而降低液滴尺寸均一性;液滴高通量构建尚无法实现连续稳定生成,且生成后的固化、洗涤、分离和收集等后处理过程难以连续化集成。
为此,可从以下方面进行研究:1)发展基于物理信息增强的神经网络进行复杂微通道网络流阻智能设计,即将微通道中的质量守恒、压力平衡、流阻关系等嵌入神经网络和优化算法中,建立兼具物理约束与数据学习能力的流阻智能设计模型。通过对通道数量、长、宽、高和流阻补偿等结构进行反向优化,从而实现流量的均匀分配,提高液滴的单分散性
[53‒54];2)建立流量解耦的阶梯乳化单元与并联量产、分裂倍增量产相结合的分步多级式放大系统,以同时缓解并联通道数量与分裂级数的压力,由此突破单一量产模式的瓶颈,实现微液滴产率与品质的协同提升;3)搭建液滴高通量构建过程的智能调控平台,即结合高速显微成像、机器视觉识别和实时控制算法,建立液滴生成过程的在线感知系统,对液滴直径、单分散性、生成频率和异常液滴进行实时监测
[55‒56],并将识别结果反馈至流量调节模块,实现操作条件的自适应调节,从而实现微液滴的高通量连续精准制备。
国家自然科学基金项目(22278274)
国家自然科学基金项目(22278281)
四川省科技计划项目区域创新项目(2025YFHZ0287)
中国博士后科学基金项目(2025M781118)