液滴微流控的集成化放大方法研究進展

鄧傳富，汪偉，2，謝銳，2，巨曉潔，2，劉壯，2，褚良銀，2

（1四川大學化學工程學院，四川 成都 610065；2四川大學高分子材料工程國家重點實驗室，四川 成都 610065）

引 言

相比于高速攪拌、超聲波均質乳化、膜乳化等傳統乳化方法，液滴微流控技術可以在微通道內可控制備單分散液滴模板用于合成各種功能微球，被廣泛應用于生物[1-3]、醫療[4-7]、制藥[8-11]、環境[12-16]等領域。然而，單個液滴制備微流控單元的產量低，一般流量在0.1 ～10ml/h[17]，阻礙了液滴微流控技術的工業化應用。若要達到工業化應用的規模，需要上千甚至上萬個液滴制備微流控單元同時運行，需要投入大量的流體泵、流體儲罐和相關的基礎設施，設備投資成本高，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面向工業應用的技術難點。目前，為了使用最少數量的相關設施，集成化放大的一般方法是利用流體分配網絡并聯多個液滴制備單元[20-21]，每相流體的輸送只需要一臺泵，而不是一個液滴制備單元對應一組泵。流體分配網絡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液滴制備微流控單元的同時能夠保證液滴模板的單分散性，從而確保微球產品的質量。

本文介紹了近年來液滴微流控集成化放大方法的主要研究進展，重點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一步設計制造和應用提供指導。

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

微通道為流體流動提供邊界，其幾何結構會影響液滴的生成。剪切力形成液滴是微流控系統中一種典型的液滴制備方法，其微通道結構主要包含交叉流動型結構[22]、共軸流動型結構[23]和流動聚焦型結構[24-25]。對于交叉流動型結構[26][圖1(a)]，兩相流體的微通道位于同一平面，分散相與連續相呈一定角度交叉流動，其中最常見的為90°的T形結構。對于共軸流動型結構[26][圖1(b)]，兩相流體的微通道位于三維空間，分散相包裹于連續相中，呈平行流動的形式。對于流動聚焦型結構[26][圖1(c)]，兩相流體的微通道位于同一平面或三維空間，分散相與連續相呈聚焦流動的形式。對于剪切力主導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兩相流體進行分配，使得匯入各個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構越復雜，對微通道的加工技術要求越高。因此，兩相流體微通道位于三維空間的共軸流動型結構和流動聚焦型結構微流控單元較難實現集成化放大，交叉流動型結構和二維流動聚焦型結構微流控單元更加適用于集成化放大。并且，由于流動聚焦型結構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聚焦型結構。

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 梯形網絡并聯剪切乳化微流控單元的集成化放大

梯形網絡是應用于微流控單元集成化放大的一類主要流體分配網絡。圖2(a)、(b)展示了梯形網絡并聯多個流動聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內液滴的制備[28]。該類型微流控單元集成化放大裝置內部一般含有兩個完整的梯形網絡，分別為分散相-乳液相梯形網絡和連續相-乳液相梯形網絡。含有多個液滴制備微流控單元的單級梯形網絡包含兩個基本要素，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液滴制備微流控單元。一般該類型梯形網絡的各個支路通道尺寸與相鄰支路的各個干路通道尺寸分別保持一致。盡管二維流動聚焦型液滴制備微流控單元易于制造，但多個梯形網絡同時耦合液滴制備微流控單元時，裝置制造仍然需要三層結構分別密封制造，制造過程煩瑣、制造難度大。軟光刻技術[28-31]、刻蝕技術[32]、3D打印技術[33]、激光雕刻技術[34-35]和微銑削技術[36]等是實現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:梯形網絡并聯流動聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內部液滴的制備過程光學圖（a）和液滴粒徑分布圖（b）[28]；樹形網絡并聯流動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圖（d）、液滴粒徑分布圖（e）和液滴制備過程光學圖（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]

梯形網絡的自身結構不對稱，流經各個液滴制備微流控單元路徑的流阻不同，流入各個液滴制備微流控單元的各相流量也不相同。因此，各個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實現完全均勻。Romanowsky等[31]基于單相流動分析提出了梯形網絡實現流量均勻分配的定量設計方法，結果表明，若要實現梯形網絡內部支路流量的均勻分配，支路流阻（Rg）應遠大于相鄰支路的干路流阻（Rd）。通過分析雙支路通道梯形網絡內部的單相流動，得出兩支路的流量比應滿足Q1/Q2=1+2(Rd/Rg)的關系。將雙通道模型的流量差距等效為多通道模型中任意相鄰通道的流量差距，求得含有N個支路通道的梯形網絡模型的最大流量差距為2N(Rd/Rg)。為了保持各個支路流量的均勻分配，最大流量差距應遠小于1，即梯形網絡滿足均勻分配的定量設計準則為：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量和單個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題，利用含有10260個流動聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置，實現了每小時上萬億個十六烷液滴的大量制備，液滴直徑約23μm，變異系數(CV)＜3%。同時，利用溶劑揮發法，實現了277g/h聚己內酯顆粒的大量制備，顆粒直徑8～16μm，CV＜5%。Han等[34-35]基于二維并行化梯形網絡的設計策略，提出了一種結合并行、堆疊和集成的多維放大策略，設計并制造了含有400個T形液滴制備微流控單元的模塊化集成放大系統。微流控模塊化集成放大系統中含有5個模塊，每個模塊由10個陣列堆疊而成，每個陣列由8個液滴生成微通道并聯形成，實現了6000ml/h液滴的大量制備，液滴直徑約893μm，CV≈7%。

1.3 樹形網絡并聯剪切乳化微流控單元的集成化放大

樹形網絡是應用于微流控單元集成化放大的另一類主要流體分配網絡。圖2(c)～(f)展示了樹形網絡并聯多個流動聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內液滴的制備[37]。該類型微流控單元集成化放大裝置內部一般含有三個樹形網絡，分別為分散相樹形網絡、連續相樹形網絡和乳液相樹形網絡。對于一個含有m級分支的樹形網絡，流體的進口或液滴的出口位于樹形網絡的第0級分支，各個液滴制備微流控單元位于樹形網絡的第m級分支。對于兩個連續級數的樹形網絡分支，后一級樹形網絡分支的通道數量一般增加至前一級樹形網絡分支數量的2倍，因此液滴制備微流控單元的數量為2m。多個樹形網絡同時耦合剪切形成液滴單元時，裝置制造需要三層甚至多層結構分別密封制造，制造難度相較于梯形網絡更大。軟光刻技術[38-39]、刻蝕技術[40-41]和微銑削技術[37,42]等是實現此類型微流控單元集成化放大裝置制造的主要方法。

樹形網絡的自身結構對稱，流經各個液滴制備微流控單元路徑的流阻一致，流入各個液滴制備微流控單元的各相流量相同。因此，各個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實現完全均勻。基于樹形網絡的結構對稱性，設計樹形網絡的各級分支通道時無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，此時流體的分配均勻性會受到裝置制造精度以及操作時通道堵塞的影響[37-38,43]。Li等[38]發現可以通過延長分散相進口前的流動路徑從而增加流阻來防止乳化剪切之間的相互干擾，通過耦合128個流動聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置，實現了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]設計并制造了耦合144個流動聚焦型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置，實現了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絡，該裝置各相的樹形網絡與環形間隙相連，每相流體均只有一個連接口。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。這種設計僅限于要求將不同流體的入口固定在不同直徑的同軸環形間隙上，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中另一種重要的液滴制備方法，一般形式為臺階乳化。目前，應用較為廣泛的臺階型微流控單元主要包含三類，分別為槽式結構[44]、直孔結構[45]和三角噴嘴結構[46]。對于槽式結構[47][圖3(a)]，臺階存在于分散相噴嘴與連續相通道之間，分散相注入后在臺階處膨脹成盤狀，在界面張力作用下頸縮脫離臺階形成液滴。對于直孔結構[48][圖3(b)]，在界面張力作用下，分散相在直孔終端附近發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 才能夠在滴流狀態下穩定產生液滴。對于三角噴嘴結構[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生頸縮脫離三角形噴嘴形成液滴。分散相在三角噴嘴結構處膨脹過程中內相流速呈逐漸減小的趨勢，使得液滴產生點區域的局部流量與分散相驅動流量的相關性解耦；并且，分散相膨脹過程中各個液滴產生點互相分隔，使得液滴產生點區域的局部流量與連續相回流流量的相關性解耦，受到相鄰液滴產生點連續相回流的干擾減弱[48]。因此，三角噴嘴結構為液滴形成提供了一個局部獨立區域，展現出更加優異的液滴生成穩定性。對于界面張力主導液滴形成的微流控單元，液滴的大小和均勻性在滴流狀態下對兩相流量的依賴性不高；但處于射流狀態時，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，界面張力的主導作用減弱，滴流到噴射狀態的轉變流量隨之降低；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分散相進行分配，裝置內的連續相通道為直通通道，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。臺階乳化微流控單元的微通道結構至多含有兩個高度，屬于二維結構，容易實現加工制造。

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 梯形網絡并聯界面張力乳化微流控單元的集成化放大

臺階型液滴制備微流控單元的并聯一般采用梯形網絡。圖4(a)、(b)展示了梯形網絡并聯多個臺階型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內液滴的制備[49]。該類型微流控單元集成化放大裝置內部一般含有一個梯形網絡，梯形網絡一般具有一個分散相入口、一個連續相入口以及一個液滴相出口。各個液滴制備微流控單元位于梯形網絡支路通道的末端，與連續相直通通道相連。單個梯形網絡耦合多個液滴制備微流控單元時，裝置制造僅需雙層結構直接密封制造，制造過程簡單，大大降低了制造難度。軟光刻技術[49-53]和刻蝕技術[54-65]等是實現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:梯形網絡并聯臺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圖（b）[49]；樹形網絡并聯臺階乳化液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內部液滴的制備（c）以及每個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]

由于臺階型微流控系統內液滴的大小在滴流狀態下對兩相流體流量的依賴性不高，梯形網絡耦合液滴制備微流控單元時，并未嚴格考慮梯形網絡的均勻分配程度，各個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到100%，并且生成液滴的均勻性也有所降低[54-56]。通過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度[58]或者增設蛇形的分散相通道[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。通過縮小液滴制備微流控單元微通道的尺寸，利用梯形網絡并聯臺階型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置，可以實現小于10μm液滴或聚合物顆粒的大量制備[63,65]。Amstad等[50]通過在三角噴嘴式臺階型液滴制備微流控單元的三角區域處增加三維分流通道實現了高黏度液滴的制備，通過66個臺階型液滴制備微流控單元實現了2ml/h高黏度水滴的制備。Ofner等[62]將前一級集成化放大裝置內產生的W/O液滴再注射至下一級集成化放大裝置，實現了水包油包水（W/O/W）液滴的大量制備，兩級集成化放大裝置內部均包含800個臺階型液滴制備微流控單元，各個液滴制備微流控單元通過梯形網絡并聯。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%。通過調節兩級集成化放大裝置內液滴制備微流控單元中微通道的高度比和兩相操作流量，可實現不同殼層厚度或者包裹不同數量水滴的雙重乳液的大量制備。

2.3 樹形網絡并聯界面張力乳化微流控單元的集成化放大

樹形網絡是臺階型液滴制備微流控單元的另一類并聯方式。圖4(c)、(d)展示了樹形網絡并聯多個臺階型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內液滴的制備[66]。該類型微流控單元集成化放大裝置內部一般含有一個樹形網絡，各個臺階型液滴制備微流控單元位于樹形網絡最后一級分支通道的末端。單個樹形網絡耦合臺階型液滴制備微流控單元時，裝置制造同樣僅需雙層結構直接密封制造，制造難度低。液滴制備時，各個液滴制備微流控單元直接浸沒于連續相儲槽內。由于樹形網絡自身結構的對稱性，流經各個臺階型液滴制備微流控單元路徑的流阻完全一致，流入各個液滴制備微流控單元的各相流量相同，從而確保各個液滴制備微流控單元的均勻性。Stolovicki等[66]結合3D打印技術制造了含有120個直孔式臺階型液滴制備微流控單元的集成化放大裝置，液滴制備時整個集成化放大裝置完全處于連續相內，隨著分散相的注入，分散相液滴逐漸生成，通過浮力作用上升脫離液滴產生點，避免了液滴聚集影響后續液滴的生成，實現了10000ml/h水滴的大量制備，液滴直徑約1000μm，CV≈5%。

3 基于被動分裂形成液滴的微流控集成化放大

3.1 被動分裂形成液滴的微流控單元

在T形結構或Y形結構微通道內，利用液滴與通道壁面狹縫間的壓力突降被動分裂形成液滴已經成為應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相注入T形結構或Y形結構微通道內，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的狀態，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管數與拉伸延長系數的共同影響[68]。在液滴能夠分裂的條件下，T形結構或Y形結構下游兩臂通道流阻的對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稱分裂[70][圖5(b)]，液滴將被分為不同體積的子液滴，兩個子液滴體積的比值與兩臂通道流阻的比值成反比。對于被動分裂形成液滴的微流控單元，生成液滴的大小和均勻性對連續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連續相進行分配，使得每級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。該類型微流控系統的各個微通道高度相等，屬于簡單的二維結構，容易實現加工制造。

圖5 基于被動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 樹形網絡并聯被動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分支流阻的依賴性，被動分裂液滴制備微流控單元的并聯采用樹形網絡。圖6展示了樹形網絡并聯多個被動分裂液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內液滴的制備[71]。該類型微流控單元集成化放大裝置內的樹形網絡一般含有一個液滴的連續相入口以及一個乳液相出口，各個被動分裂液滴制備單元位于樹形網絡的每一級分支交叉節點處。經過每一級分支，液滴逐級分裂減小。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，同時也會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形流道交叉處時流道交叉對柔性液滴具有一定的剪切分裂作用；因此，Y形結構可能在更低的毛細管數條件下實現液滴的分裂。單個樹形網絡耦合被動分裂液滴制備微流控單元時，裝置制造僅需雙層結構直接密封制造，制造過程簡單，大大降低了制造難度。軟光刻技術[71-73]等是實現此類型微流控單元集成化放大裝置的主要方法。

圖6 基于被動分裂形成液滴微流控單元的集成化放大：樹形網絡并聯被動分裂液滴制備微流控單元的集成化放大裝置內部單乳液滴（a）和雙重乳液滴（b）的制備過程光學圖[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]

樹形網絡自身結構對稱，流經各個被動分裂液滴制備微流控單元路徑的流阻完全一致，流入各個液滴制備微流控單元的流量相同，從而確保各個液滴制備微流控單元的均勻性。Abate等[71]提出了利用被動分裂形成液滴提高單液滴和雙液滴產量的方法，結果表明，要使毛細管數保持在一個恒定的最佳值，以達到最佳的水滴破裂。如果毛細管數過低，液滴可能不會分裂；如果毛細管數過高，則會導致產生衛星液滴。Hoang等[72]利用樹形網絡耦合被動分裂乳化單元制備氣泡，確定了氣泡非均勻性的三個來源：節點前氣泡大小不均勻、氣泡不破裂引起的不均勻性以及制造公差引起的流動不對稱。為了提高均勻性，提出T形接頭的毛細管數必須超過臨界值以確保所有氣泡分裂，并且修正毛細管數足夠大。Kim等[73]對比了各個分支寬度為變化值和恒定值時，整個集成化放大裝置的流阻和壓降，發現變化寬度時，集成化放大裝置的流阻和壓降更小，從而能夠實現更大流量液滴的制備。通過耦合512個被動分裂形成液滴的微流控單元，實現了15ml/h W/O液滴的大量制備，液滴直徑40μm，CV＜5.5%。

4 結 論

液滴制備微流控單元的集成化放大是液滴微流控技術面向工業應用的關鍵和技術難點，其一般方法是利用流體分配網絡并聯多個液滴制備微流控單元。流體分配網絡的主要作用是均勻分配流體，使得匯入各個液滴制備微流控單元的關鍵流體的流量相同，從而確保制備得到的乳液及微球產品的均勻性。梯形網絡和樹形網絡是應用于微流控單元集成化放大的兩類主要流體分配網絡。樹形網絡自身結構對稱，設計時無須考慮內部流阻分配，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，梯形網絡自身結構不對稱，設計時需要考慮內部流阻分配，一般內部支路流阻Rg遠大于干路流阻Rd。相較于支路數相同的樹形網絡，梯形網絡的支路流阻Rg一般更大，制造誤差造成的流阻變化相對于支路流阻Rg的比例更小，不易受制造誤差的影響。對于不同類型的液滴制備微流控單元，微通道結構的復雜程度和液滴尺寸對兩相流量的依賴性不同，流體分配網絡數量和裝置制造難度也不相同。

通過不同類型液滴制備微流控單元的集成化放大，已經可實現大批量單分散液滴模板的制備，但仍存在一些問題亟待解決：（1）液滴模板進一步合成功能微球時一般為非連續生產過程，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程時導致液滴易聚并，液滴及功能微球的均勻性降低；因此，如何通過液滴模板實現大量單分散功能微球的連續生產仍是一個挑戰。（2）目前，微流控單元集成化放大裝置的應用合成體系多為光引發聚合、溶劑揮發等體系，操作過程簡單、容易實現；但對于許多高附加值單分散微球的大量制備，比如可用于生物醫用等領域的海藻酸鈣、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用合成體系。（3）目前流體分配網絡的設計均基于等效假設和簡化推導，網絡的實際流體分配均勻程度未得到模擬或實驗的流體分配數據直接驗證。（4）在流體分配網絡分配均勻的前提下，制造誤差對液滴模板的均一性影響較大；因此，開發更高精度的微通道制造技術是實現更加均勻、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，也是推動液滴微流控集成化放大應用進程的重要技術支撐。