液滴微流控技术制备功能型微球的研究进展下

微流控芯片

液滴微流控技术制备功能型微球的研究进展下

3.2 多孔结构微球

多孔结构微球具有多孔结构，因此微球的密度低，比表面积大，渗透性强。由于孔隙率大，在吸附方面的应用尤为广泛，尤其在催化和储能等领域，另外在生物学的组织再生方面也具有极佳的应用前景。随着孔隙率的增加，不仅在微球表面，微球内部也会释放更多的吸附位点，从而提升微球的吸附能力。Wang等以液滴微流控方法制备了形貌均一的壳聚糖多孔微球，通过添加聚乙烯亚胺(PEI)增添吸附位点增强化学吸附能力，对重金属离子的吸附量提升了3倍。

制备多孔微球的方法有很多，诸如反向悬浮聚合法、沉淀聚合法等，对微球粒径、粒径偏差、制备方法的难易程度综合比较，还是液滴微流控方法更加优越。采用微流控装置制备多孔微球，无论采用模板法还是添加制孔剂，孔径的偏差都较小，而孔径是影响微球选择性吸附的主要因素。表 1给出了不同制备方法得到的微球的孔径和孔径偏差数据。

多孔微球的制备方法与核-壳型微球类似，可以使用高内向复合乳液(HIPE)体系，利用气体的挥发制作模板，如H2O2、NH4HCO3等；溶液在内相中混合，于光照条件下会分解成不溶于微球的气体，如：O2、CO2、NH3、N2等。如图 5所示，将内部含有H2O2的乳液通过UV光线照射，H2O2受热分解，产生气体并逸出，形成多孔结构。

王飞利用内相含有H2O2的复合乳液，外相为水相，添加黏度调节剂，在紫外灯照射下，H2O2分解出O2向外逸出，形成孔道，基于表面增强拉曼光谱技术(SERS)，通过激光照射，还原接收AgNO3溶液，在多孔微球表面形成银纳米簇，从而制备出表面具有SERS活性的多孔微球，将其运用在污染物的吸附和表征。在微球制备过程中，由于气体产生的这些孔道大小不均匀且无规则，孔隙尺寸在1~100 μm，而且在光照下壳体会固化，因此需要精准控制试剂用量以及光照强度，才能保证产生的气体在固化前逸出，微球制备过程及SERS检测如图 6所示。

Yu等利用液滴微流控装置制备了大孔的单分散聚甲基丙烯酸甲酯-羟乙基甲基丙烯酸酯(PMMA-HEMA)微球。如图 7所示，采用均相乳化法制备油包水(W/O)为内相，进入外相后，形成W1/O/W2型乳液，在自由基聚合过程中，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会松动离开，留下了均匀一致的大孔结构微球。这类微球可以大幅度提高对油的吸附能力，在油-水分离领域具有很好的应用前景。尽管在装置上采用的是简单的共轴型结构，但是在一级装置中就能做到W1/O/W2型模板，而且不必担心会有残留的杂质，更方便地控制孔径大小。

Wang等对聚焦型的微流控装置进行了改进，气体和液体分别从两个相反的方向进行对冲进入芯片，形成了规则有序的蜂巢型多孔微球；在后续煅烧操作中，碳纤维溶液形成的微球，会自发形成无规则的孔道。Ju等在自制的T型微流控装置中制备了多种尺寸可控的中空含碳无机氧化物核壳和中空微球，如图 8所示的步骤：功能性丙烯酸酯(FA)单体和正硅酸乙酯(TEOS)在水中发生聚合反应，在浓硫酸的作用下得到PFA微球和SiO2，由于静电作用，SiO2附着在微球表面，通过煅烧得到介孔率为89%的中空的SiO2微球。PFA微球与传统模板法制备的多孔微球相比，增加了中空结构，提升了吸附容量。

多孔微球与核壳微球制备的流程相类似，因此两者在结构上也相似。多孔微球通过物理方法或化学反应在核壳微球的基础上制备成孔。由于孔隙率较大，与核壳微球多孔微球相比，多孔微球的机械性能较差，在强度和硬度方面也不如核壳型。

3.3 各向异性微球

各向异性颗粒，具有非对称的形状或不均匀的性质，在自然界中广泛存在，如生物细胞、花粉颗粒等。这类颗粒表现出不同于其他类型微球的物理化学性质，在催化剂、生物医药，示踪成像等多种领域应用广泛。各向异性颗粒的分类方法有很多，主要有Janus型颗粒(Janus particle) 、patchy型颗粒(patchy particle)、多组分颗粒(multicompartment particle)，如图 9所示，可以衍生出8种类型。其中Janus颗粒，是以双面罗马神命名，具有严格的双相对称几何结构，拥有不同的成分和特性，大量运用在无机物、有机物材料中。patchy型颗粒能够精确控制且排布粒子之间的相对位置，具有高度自序的自组装功能，因此有着多种分类，如链状、螺旋状等。而multicompartment颗粒，是一种多相分离的核壳结构，一般由亲水性外壳以及疏水性不同的内核构成，不同组分在结构上是独立的，但是相邻组分具有协同作用，表现出高度的功能性，被广泛应用于催化等领域。

非球形颗粒是一种典型的各向异性颗粒，利用液滴微流控装置制备非球形颗粒需要改变流体通道的形貌或者是改变分散相黏度来调节颗粒的最终形状，对形貌加以约束，可以制备出椭球状、棒状等颗粒。模板聚合法、机械拉伸法、激光3D直写法也可以制备各向异性微球，但是传统制备方法在粒径精度控制方面略显不足。

Shang等在2013年首次采用玻璃毛细管装置制备并研究了SiO2磁性纳米颗粒，一面是光子晶体，一面是磁性半球的Janus颗粒，光子晶体可以在扫描电镜下观察，而磁性半球可以在磁场的诱导下运动，这类微球具有重要的实用价值，在流场、磁场内可观察并捕捉其运动轨迹。Sanchez利用Janus颗粒的成像和活细胞跟踪技术，通过Janus探针模拟在人体内所表现出的平移和旋转，研究细胞与粒子之间的吞噬、扩散等复杂的相互作用。另外，可以通过改变外部磁场控制具备磁性的Janus颗粒的方向和位置，可以应用于磁共振成像和药物传递，对细胞生物学的基础研究具有重要意义。

邱阳提出了以渗透压原理及聚合层类膜通道为基础的制备方法，首次合成了具有指针状的各向异性颗粒。如图 10所示，偏心状态下的液滴，在UV照射下，微球发生链式聚合反应，形成网络，造成微球内部与外部孔隙率的差异，构成类膜通道。在接受相与内相不同浓度差下，内核发生扩散并依据浓度差的大小发“迁移”，形成视觉上的指针状，在内相中添加磁性材料如Fe3O4微小颗粒后，颗粒具备了定性且十分直观的指向性功能。

Ghosh等基于液滴微流控的合成方法，制备了雪人形状的Janus水凝胶颗粒。对PDMS板材进行表面改性处理，内相N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)溶液与油相在连接处发生剪切，分裂成均匀的液滴后进行部分蒸发处理；由于水相与油相的界面张力和化学性质不同，液滴变形为诺尔曼型Janus颗粒；在UV照射下，以布朗运动为主而非沉降作用完成交联，具有高热反应性和自组装特性。由于具有双各向异性，这些粒子可以作为凝胶形成模拟胶体系统。如图 11所示。

Wu等基于液滴微流控装置制备了具有花生形状的各向异性颗粒结合磁性粒子，实现了对应的旋转，为特殊磁性载体提供了新的思路。吴子谦通过观察蜘蛛丝上纺锤状隆起的生物现象，利用微流控装置制备了有仿生价值的纺锤状石墨烯纤维，在水环境中实现了对油类物质的吸附和聚集。

通常而言，制备各向异性微球至少需2个分散相：当这2个分散相在微通道内发生混合，没有清晰的对称性时，所制备的颗粒只是一个普通的均质球，因此有学者在通道中再增加一个通道来隔离2个分散相保持对称性。进入共用通道的2个分散相在相同流速下应具备同样的黏度，以避免因黏度不均匀造成颗粒成球失败；当2个分散相不相溶时，由于液-液的界面张力，就有可能出现3种形态：完全吞噬(核壳型)、部分吞噬(Janus)和没有吞噬(2个单独的液滴)，而这3种形态会发生相互转换，所以要在适当时机通过光聚合等手段固化颗粒，锁住分散相。

4 总结与展望

本文综述了传统方法在制备功能型微球技术方面的缺陷与瓶颈，突出液滴微流控技术的便利与优势，总结了液滴微流控技术制备核壳型微球、多孔结构微球和各向异性微球的装置和方法、微球的结构、功能和应用等。液滴微流控技术与医药、生物、化学、机械、物理等学科不断地深入结合，也促进了液滴微流控技术的蓬勃发展。

然而，微流控技术依然存在许多不足。首先，实验环境较为苛刻，难以批量化生产；其次，对于成球材料物性的要求非常严格，限制了微球结构和功能的多样化；再次，功能性微球在投入到检测、吸附、细胞培养等实验或应用后，回收再利用难度较大；最后，多相流体在微流控装置中运动和传质机理尚不明确。如何实现对微球孔道尺寸的控制，使其拥有封装多种活性材料的能力，是未来微流控技术研究的主要方向。

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