微流控乳液模板法構建功能微顆粒過程中介尺度結構定向調控的研究進展

潘大偉，汪偉，謝銳，巨曉潔，劉壯，褚良銀

（四川大學化學工程學院，四川成都 610065）

引 言

功能微顆粒材料由于具有微型化、多功能化等諸多優點，而被廣泛應用于藥物遞送和控釋、物質封裝與儲存、物質分離與純化、微型生化反應等領域[1-6]。通常來說，功能微顆粒材料的關鍵性能指標與其尺寸、單分散性、形貌、結構、組分等因素密切相關[7-10]。然而，傳統制備方法尚難實現對于功能微顆粒材料形貌、結構和組成等的精確控制，從而限制了其高性能和應用效果。微流控技術能夠在微米或亞毫米限域空間內精確操控多相流體的流動和分散，其可控制備的多樣化乳液液滴體系為功能微顆粒材料的創新設計與可控制備提供了一種優良而獨特的模板[11-14]。通過對乳液液滴模板的幾何尺寸、均一性、形貌、結構與組分等進行精確調控，可實現功能微顆粒材料的尺寸、均一性、形貌、結構、組分以及功能特性的理性設計和調控[15]。

微流控乳液模板法構建功能微顆粒材料通常包含兩個過程：乳液液滴模板的可控構建以及乳液液滴模板的固化成型。在乳液液滴模板的構建過程中，一個液相被可控地分散到另一個互不相溶的液相中；此時，兩親性表面活性劑分子或納米顆粒有序地在兩相界面上排布聚集以穩定液滴界面。液滴界面上兩親性表面活性劑分子或納米顆粒的聚集態介尺度結構對于液滴界面的穩定性具有重要作用[16]。通過調控該介尺度結構，可以控制液滴界面的穩定性，實現液滴間的可控吞并/融合，從而實現對乳液液滴結構和組成的靈活調控[17-20]。而對于涉及三個液相甚至更多液相的復雜乳液體系來說，通過該介尺度結構的調控，還可以進一步控制乳液液滴的相際運動、結構演變等，從而可控構建形貌、結構和組成更加多樣化的乳液液滴模板[21-22]。然后，在乳液液滴模板固化成型來構建功能微顆粒的過程中，液相中的功能單體、納米顆粒、小分子等在液滴表面及內部形成聚團的介尺度結構，并逐漸固化成型為功能微顆粒。在此過程中，界面傳質與反應對該介尺度結構的定向調控，以及對所成型的微顆粒的結構和功能的調控具有重要意義。比如，在基于乳液液滴界面上或液相內的交聯反應或自組裝過程制備功能微顆粒的過程中，通過調控反應物的跨界面傳質過程及反應過程，可以分別制得具有實心結構和不同厚度囊壁的中空結構微顆粒[23-26]。由此可見，深入研究乳液模板法構建功能微顆粒材料過程中介尺度結構的形成與演變規律，揭示液滴界面介尺度結構與乳液動力學行為、界面傳質與反應之間的耦合作用機制及其對微顆粒介尺度結構的影響規律等，對于實現乳液模板結構調控與新型微顆粒材料創新制備具有重要意義[27-29]。

本文主要綜述了近年來微流控乳液模板法構建功能微顆粒材料過程中介尺度結構定向調控的研究新進展。首先重點介紹了在微流控技術可控制備乳液液滴模板的過程中，液滴界面上兩親分子聚集態介尺度結構的調控與乳液液滴的運動、吞并、融合、相界面定向演變等動力學行為之間的相互影響關系和調控機制，以及由此導致的對乳液液滴形貌、結構和組成的影響及其調控規律。然后，著重介紹了在以乳液液滴為模板制備微顆粒功能材料的過程中，界面傳質、反應，以及兩者耦合對所制得的微顆粒功能材料介尺度結構的定向調控，以期為微流控乳液模板法可控構建新型微顆粒材料的反應過程強化和定向調控提供科學基礎和指導。

1 乳液液滴模板的介尺度結構調控

可控制備具有多樣化組成、形貌和結構的乳液液滴模板對于設計和構建新型功能微顆粒材料至關重要。通常來說，乳液液滴主要由互不相溶的兩個或多個液相構成，液相間的相界面上分布排列有兩親性的表面活性劑分子，從而使得乳液體系的界面能降低，有利于獲得更加穩定的乳液液滴[30]。微流控技術能夠精確獨立地操控多個液相在微通道中的流動和分散，從而可控構建多樣化的多相乳液體系。通常來說，微流控技術可控構建多樣化乳液液滴體系主要依靠不同液相之間的剪切作用來使液液界面形變并促進其不穩定性的自然增長，從而使得液相斷裂形成乳液液滴。當前，研究者已開發出了多種具有不同微通道結構的微流控裝置來操控不同液相之間的流動和剪切過程，其主要包括T型、共流動型、流動聚焦型以及交叉流動型等[31]。而通過將上述微通道結構進行串聯或者并聯組裝結合，則可以靈活地組合多相流體之間的剪切過程，從而制備得到具有液滴嵌套液滴結構的復雜乳液液滴體系。此外，通過外加電場、溫度場、磁場、超聲或機械振動來影響界面不穩定性，亦可促進液相的斷裂和乳液液滴的形成[32]。基于上述微流控方法構建的多相乳液液滴，通過調控液相界面能量、施加外場刺激等來調控液滴界面上兩親性的表面活性劑分子或納米顆粒的聚集態介尺度結構，可以動態調節乳液液滴的相際運動、吞并、融合、結構演變等行為，從而進一步實現對乳液液滴形貌、結構和組成的靈活調控。

乳液液滴在互不相溶的兩個連續相中的自發跨界面運動遷移過程為液滴界面組成和相內組成的調控提供了靈活的策略。Deng 等[21]提出了一種通過調控界面能量來介導乳液液滴跨界面運動，并調控液滴界面上表面活性劑分子聚集態介尺度結構的新方法。該方法主要通過微流控技術在微通道中構建互不相溶的并行流動兩相液流，并在其中一相液流中分散乳液液滴；然后，利用三相體系處于非最低能量狀態的特點，誘導分散相液滴由一個連續液相向另一個連續液相的跨界面運動遷移。如圖1(a)所示，當兩個不相溶的液相A和C在微通道中平行流動時，若液相C 中存在隨之運動的液滴B，則該體系存在三個界面張力γBC、γAB和γAC。當A、B、C 三相之間的界面張力存在γBC-(γAB+γAC)>0 的關系時，意味著液滴B更傾向于處于液相A 中，以使得該三相體系的界面能量最低。因而，在該趨勢驅使下，液滴B 將跨越界面由液相C 轉移到液相A 中。同時，由于微通道中液相流動處于層流狀態，其流場分布在微通道中間位置呈現出最大流速，有利于液滴B 遷移至液相A 和C 的界面處與之接觸，從而促進液滴B的跨界面運動。該界面能量介導的液滴跨界面運動過程為液滴的界面組成和相內組成的靈活調控提供了新策略。如圖1（b）所示，在界面能量趨于最小的趨勢介導下，水相液滴W1 將自發由油相O1 跨界面運動到水相W2 中，同時液滴原有相界面上的兩親分子聚集態介尺度結構發生變化以使其新的相界面達到穩定，從而實現了對于液滴界面組成的調控。此外，通過在跨越后的連續液相中加入能溶于液滴相的功能物質，還能借助該功能物質在濃度梯度下的跨界面傳質過程，實現對于液滴相內組成的調控[21]。

圖1 乳液液滴跨界面運動過程中的介尺度結構調控。（a）乳液液滴跨界面運動過程的示意圖[21]；（b）微通道中水相液滴W1由連續油相O1至連續水相W2的跨界面運動過程，以及其液滴界面上兩親分子聚集態介尺度結構的示意圖[21]Fig.1 Regulation of meso-scale structures of emulsion droplets during their trans-interfacial transfer process.(a)Schematic illustration of the trans-interfacial transfer process of an emulsion droplet[21].(b)Schematic illustration of the transinterfacial transfer of aqueous droplets(W1)from continuous oil phase(O1)to continuous water phase(W2),and the aggregation meso-scale structures of amphiphilic molecules at the droplet interface[21]

不同組分液滴之間的融合行為可實現對液滴組分的靈活調控。通常來說，通過施加外力作用以及光、熱刺激等方式來調控液滴界面上兩親分子或納米顆粒的聚集態介尺度結構，可以有效地調控液滴界面的穩定性，使得液滴失穩發生融合。基于微流控技術對多相液流的流動和分散行為的精確控制，以及微流控芯片多樣化微通道結構及其與光、熱等外場作用的靈活耦合，可在微通道中連續可控地實現液滴的融合過程，這對于液滴組分的靈活調控以及液滴內反應的可控觸發具有重要意義。Sun等[17]通過溫控調節液滴界面上納米顆粒的聚集態介尺度結構，在微流控芯片中實現了連續流動的液滴對的可控快速融合。該方法主要采用了具有溫敏體積相變特性的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝膠納米顆粒作為液滴界面穩定劑。當環境溫度低于PNIPAM 納米顆粒的體積相轉變溫度（VPTT，約32℃）時，PNIPAM 納米顆粒呈現出親水性的溶脹狀態；而當環境溫度升高至其VPTT 以上時，PNIPAM 納米顆粒轉變為疏水性的收縮狀態。利用該溫敏體積相變特性，可通過控制液相溫度來調控液滴界面上排布的PNIPAM 納米顆粒的聚集態介尺度結構，從而調節界面穩定性，實現液滴的溫控觸發可控融合。圖2（a）、（b）為通過共聚焦顯微鏡對熒光PNIPAM 納米顆粒穩定的液滴進行逐層掃描并重構得到的液滴三維圖像，可清晰看出液滴的表面被熒光PNIPAM 納米顆粒覆蓋，從而使得液滴具有良好的界面穩定性。并且，當環境溫度為25℃（低于PNIPAM納米顆粒的VPTT）時，PNIPAM納米顆粒呈現親水性溶脹狀態，其在界面吸附能作用下發生自組裝，進而在液滴界面處形成了穩定的六邊形排布結構。當溫度由25℃升高至40℃時，液滴界面上的熒光PNIPAM 納米顆粒由親水變為疏水狀態且體積收縮變小，這使得熒光PNIPAM 納米顆粒在液滴界面上的聚集態介尺度結構發生改變，部分納米顆粒之間甚至出現團聚。此時，原先被熒光PNIPAM納米顆粒良好覆蓋的部分液滴界面暴露出來，導致界面穩定性降低，使得相鄰的液滴界面相互接觸后發生液滴融合[圖2（c）]。基于上述特點，利用微流控芯片在上游產生經PNIPAM 納米顆粒穩定的均一乳液液滴，再在下游利用可加熱的擴大腔室結構使得相鄰的兩個不同液滴相互接觸，則可在流動狀態下連續可控地實現相鄰液滴的一一配對并由溫度觸發其快速融合。除了通過施加熱、光等外場作用來破壞液滴界面穩定性外，通過在微通道內構建特殊微結構與液滴界面進行作用，亦可以使得液滴失穩從而實現液滴融合[18,33]。Deng 等[18]通過在微流控芯片中構建金屬微針結構與液滴界面作用，以改變液滴界面上表面活性劑分子的聚集態介尺度結構使得液滴失穩，從而實現了液滴的連續可控融合[圖2（d）]。在該微流控芯片的T 型微通道交匯處，構建了經表面改性的金屬微針作為“微手術刀”。通過調控協同微通道上游兩種不同組分液滴的產生頻率，使得兩個不同組分的液滴同時流經該金屬微針。此時，金屬微針同時與液滴相發生浸潤作用，改變了液滴界面上原有表面活性劑分子的介尺度結構，使得液滴界面穩定性降低；同時，浸潤在金屬微針上的兩個液滴以該微針為媒介，發生相互融合，并在脫離該微針時重新融合形成一個液滴[圖2（e）]。基于該方法，通過調控流速等來改變兩個液滴的尺寸，可對液滴中不同組分的配比進行調控，從而實現對于融合后的液滴內部組分更加精確和靈活的調控。此外，通過微流控技術在上游可控構建具有液滴包裹液滴結構的雙重乳液液滴，還可以使得單乳液滴與雙重乳液液滴在微針介導下發生連續可控融合，從而實現對雙重乳液外層液滴組分的靈活調控[圖2（f）]。

圖2 乳液液滴融合過程中的介尺度結構調控。不同溫度下液滴的赤道位置（a）和頂部位置（b）界面上熒光PNIPAM納米顆粒的排布結構[17]；（c）溫控觸發融合過程中液滴界面上熒光PNIPAM納米顆粒的排布結構變化[17]；（d）T型微通道中經金屬微針介導的液滴融合過程示意圖[18]；T型微通道中經金屬微針介導的單乳液滴對的融合過程（e）以及單乳液滴和雙重乳液液滴融合過程（f）的高速攝像圖[18]Fig.2 Regulation of meso-scale structures of emulsion droplets during their coalescence process.Packing structures of fluorescent PNIPAM nanoparticles on the equator(a)and the top(b)of a droplet at different temperatures[17].(c)Packing structural change of fluorescent PNIPAM nanoparticles at droplet interface during the temperature-triggered coalescence process[17].(d)Schematic illustration showing the metal-microneedle-induced coalescence of emulsion droplets in T-junction microchannels[18].High-speed snapshots showing the metal-microneedle-induced coalescence between two single emulsion droplets (e),and between one single emulsion droplet and one double emulsion droplet(f)[18]

在微流控法制備乳液液滴模板的過程中，通常可通過設計微通道乳化結構、液相乳化次序以及調控微通道尺寸和液相流速等，對所制得的乳液液滴的形貌結構進行靈活的調控。而通過利用界面能量誘導的液滴界面上兩親表面活性劑分子的聚集態介尺度結構變化，則可為乳液液滴形貌結構的調控提供一種新的策略。Deng 等[19-20]通過利用界面能量誘導液滴浸潤和液滴界面上兩親表面活性劑分子的介尺度結構變化，使得簡單的乳液液滴間選擇性地進行吞并，從而可控得到了形貌結構更為復雜的多重乳液液滴。該方法亦是利用了多相體系在非最低能量狀態下向最低能量狀態演變的趨勢，來誘導液滴間的選擇性浸潤吞并行為[34-35]。如圖3（a）、（b）所示，對于液滴A 和液滴B 分散于連續相C中的三相體系來說[圖3(a)ⅰ、ⅱ]，當三相之間界面張力的關系滿足SA=γBC-(γAB+γAC)>0 時，液滴A 將浸潤于液滴B 上將其吞并，從而形成B/A/C 型雙重乳液液滴[圖3（a）ⅲ]；而當三相之間界面張力的關系滿足SB=γAC-(γAB+γBC)>0 時，液滴A 將被液滴B 浸潤和吞并，從而形成A/B/C 型雙重乳液液滴[圖3(a)ⅳ]。同時，通過對進行選擇性吞并的液滴的尺寸和數目進行調控，還可以對吞并后形成的雙重乳液的內、外液滴尺寸，以及對雙重乳液內部液滴的數目等進行精確調控。此外，通過調控單乳液滴與雙重乳液液滴之間的選擇性吞并行為，還可進一步制得結構更為復雜的多核雙重乳液[圖3（c）]和三重乳液[圖3（d）]，實現了對于乳液液滴形貌和結構的靈活調控。除了形成球形的乳液液滴外，通過界面能量誘導雙重乳液液相界面上的表面活性劑分子介尺度結構發生變化，還可使得該液滴進一步演化為非球形結構乳液液滴。Wang 等[22]利用界面黏附能量（ΔF）誘導W/O/W 型雙重乳液的內、外兩個液滴界面上排布的表面活性劑分子發生黏附組裝，以誘導雙重乳液結構發生演化，從而得到了具有橡子型非球形結構的雙重乳液[圖3（e）]。在該雙重乳液三相體系中，其內、外兩個W/O 界面上排列的表面活性劑分子在黏附能誘導下其聚集態介尺度結構將發生改變，將傾向于聚集組裝為表面活性劑雙分子層，從而使得內部水滴從雙重乳液液滴中突出出來。該黏附能取決于該雙重乳液內、外O/W 界面張力（γIM、γMO）和表面活性劑雙分子層所對應的張力（γFilm），即ΔF=γIM+γMO-γFilm；因此，通過改變液相組分來調控三相界面張力來調節ΔF，可以對雙重乳液演化后的形貌結構進行靈活調控，使其由球形的核殼型結構逐漸演變為非球形的橡子型結構[圖3（e）]。上述工作為乳液液滴模板形貌結構的靈活調控提供了新的策略。

圖3 乳液液滴在浸潤吞并過程和反浸潤演化過程中的介尺度結構調控。（a）液滴經選擇性浸潤吞并形成雙重乳液液滴的示意圖[20]；微通道中液滴經浸潤吞并形成單核雙重乳液液滴（b）、多核雙重乳液液滴（c）以及三重乳液液滴（d）的高速攝像圖[20]；（e）球形核殼型雙重乳液液滴經反浸潤演化形成非球形橡子型乳液液滴的示意圖[22]Fig.3 Regulation of meso-scale structures of emulsion droplets during their wetting-induced engulfment and dewetting-induced evolution processes.(a)Schematic illustration showing the formation of double emulsion droplets from selective wetting-induced engulfment between single emulsion droplets[20].High-speed snapshots showing the formation process of single-core double emulsion droplets(b),multi-core double emulsion droplets(c),and triple emulsion droplets(d)via wetting-induced engulfment[20].(e)Schematic illustration showing the dewetting-induced evolution from spherical core-shell double emulsion droplets to non-spherical acorn-like emulsion droplet[22]

2 功能微顆粒材料的介尺度結構定向調控

微流控技術可控構建的乳液液滴為合成功能微顆粒材料提供了多樣化的模板。在乳液液滴轉化為功能微顆粒的過程中，界面傳質與反應對實現功能微顆粒材料介尺度結構的定向調控具有重要作用[36-38]。例如，在乳液液滴模板中，利用聚陽離子和聚陰離子在靜電力誘導下的自組裝過程或者高分子與交聯劑分子的交聯反應過程等，可以構建多樣化的功能微顆粒。在上述制備微顆粒的過程中，通常涉及一個反應物組分（如聚陽離子、聚陰離子或交聯劑分子）的跨界面傳質過程；通過對該傳質過程進行調節，可以調節其自組裝或交聯反應過程，從而實現對微顆粒材料結構和功能的定向調控[23-26]。此外，除了反應物分子的跨界面傳質過程外，液相溶劑分子的跨界面傳質過程亦會對乳液液滴內兩親性表面活性劑分子的聚集態介尺度結構產生影響，從而實現對所制得的功能微顆粒的結構和功能的定向調控[39-42]。

通過對聚電解質高分子在乳液體系中跨界面傳質方向的調控，可以控制聚電解質高分子在乳液體系中發生自組裝過程的位置（如乳液液滴內或液滴界面上），從而制得相應的實心或中空微顆粒。Ma等[23]以W/W型雙水相乳液液滴作為模板，通過調節體系pH 來調控聚電解質高分子聚丙烯胺鹽酸鹽（PAH）和聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）在不同水相之間的分配系數，實現了不同聚電解質在相內與相間的定向傳質分配。當以含PSS的葡聚糖水溶液和含PAH的聚乙二醇水溶液分別為分散相和連續相制備W/W 型雙水相乳液液滴時，由于PSS 更傾向于分配于葡聚糖水溶液中，此時將僅有PAH 由連續水相傳遞至水滴內部，從而使得PAH 與PSS 發生自組裝，以形成實心的聚電解質水凝膠微顆粒[圖4（a）]。而通過改變溶液相使得PAH 和PSS 均發生跨界面傳質時，兩者將在液滴界面上發生自組裝，從而形成中空的聚電解質水凝膠微顆粒[圖4（b）]。類似地，基于該原理，通過將聚陽離子PAH 替換為表面帶電荷的親水性金納米顆粒，并調控體系內pH，可誘導金納米顆粒與聚陰離子PSS 發生自組裝，從而實現納米顆粒-聚電解質復合聚集體微顆粒的可控制備[圖4（c）～（e）][37]。

圖4 界面傳質與自組裝對微顆粒材料介尺度結構的調控。經可控跨界面傳質和自組裝過程由W/W型乳液液滴模板制備實心（a）和中空（b）PAH/PSS聚電解質微顆粒的示意圖[23]；（c）經可控跨界面傳質和自組裝過程由W/W型乳液液滴模板制備實心金納米顆粒/PSS微顆粒的示意圖[37]；（d）實心金納米顆粒/PSS微顆粒的掃描電鏡圖[37]；（e）實心金納米顆粒/PSS微顆粒制備過程的光學顯微鏡圖[37]Fig.4 Regulation of the meso-scale structures of microparticles via trans-interfacial mass transfer and self-assembly.Schematic illustrations showing the synthesis of solid(a)and hollow(b)PAH/PSS polyelectrolyte microparticles from W/W emulsion templates via controllable trans-interfacial mass transfer and self-assembly[23].(c)Schematic illustrations showing the synthesis of solid Aunanoparticle/PSS microparticles from W/W emulsion templates via controllable trans-interfacial mass transfer and self-assembly[37].(d)SEM image of the solid nanoparticle/PSS microparticle[37].(e)Optical microscopic snapshots showing the fabrication process of Au-nanoparticle/PSS microparticle[37]

此外，通過調控跨界面傳質過程的速度和時間，可以控制高分子與交聯劑之間的反應程度和時間，從而實現對所制得的實心或中空微顆粒的結構調控。Mu 等[25]利用乳液液滴模板在界面交聯過程中的傳質-反應耦合調控，一步制備得到了尺寸和殼層厚度精準可控的單分散中空殼聚糖微顆粒。該方法首先利用同軸毛細管微流控裝置，以殼聚糖的水溶液為分散相、含有表面活性劑PGPR90 和交聯劑對苯二甲醛的油相溶液為連續相，制備得到了單分散W/O 型單乳液滴。在該乳液體系中，由于小分子交聯劑對苯二甲醛微溶于水，因此交聯劑將在濃度驅動下從連續相通過跨界面傳質向乳液液滴內部擴散，在界面處水相一側與乳液液滴模板中的殼聚糖分子發生由外向內的交聯反應以形成殼聚糖囊膜，從而制得中空殼聚糖微顆粒[圖5（a）]。利用具有捕獲井微結構陣列的聚二甲基硅氧烷微流控芯片截留固定單乳液滴，實時觀測了單乳液滴界面的傳質和交聯反應過程，探究了該液滴界面交聯過程中的傳質-反應耦合調控機制，實現了對所制備的中空殼聚糖微顆粒的尺寸和結構的靈活調控。研究中通過調節交聯時間、交聯劑濃度等因素來調控液滴模板制備微顆粒過程中的界面傳質-反應過程，制得了尺寸和囊壁厚度精確可控的中空殼聚糖微顆粒[圖5（b）～（d）]。類似地，Mu 等[26]利用微流控技術制得的均一O/W 型乳液液滴作為模板，通過調控液滴界面上交聯劑分子的跨界面傳質過程以及交聯反應，制備得到了具有納米級超薄囊壁的中空殼聚糖微顆粒，實現了對茶樹精油的高效封裝和控制釋放。

圖5 界面傳質與反應對中空微顆粒材料的介尺度結構調控。（a）經跨界面傳質和交聯反應由W/O型乳液液滴模板制備中空殼聚糖微顆粒的示意圖[25]；（b）～（d）經界面傳質和反應調控制得的不同結構中空殼聚糖微顆粒的激光共聚焦圖[25]Fig.5 Regulation of the meso-scale structures of hollow microparticles via trans-interfacial mass transfer and reaction.(a)Schematic illustrations showing the synthesis of hollow chitosan microparticles from W/O emulsion templates via trans-interfacial mass transfer and crosslinking reaction[25].(b)—(d)Confocal laser scanning microscope images of hollow chitosan microparticles with different structures from regulation of trans-interfacial mass transfer and reaction[25]

通過O/W 型乳液液滴體系中油/水兩相間的跨界面傳質過程，可以利用乳液液滴內部存在的兩親性表面活性劑分子構建納米級水滴，并調控乳液液滴相內兩親性表面活性劑分子的聚集態介尺度結構，從而實現具有可控多孔結構的功能微顆粒材料的模板制備。Chen 等[41]以含有光敏樹脂單體、Fe3O4@Ag 納米顆粒、ZIF-8@ZnO 納米顆粒以及過量表面活性劑分子PGPR90 的油相作為分散相，含有表面活性劑F127的水相作為連續相，由微流控技術制得了均一的O/W 型乳液液滴。在該乳液液滴體系中，連續相中的水分子在過量表面活性劑分子的增溶作用下，由水相經跨界面傳質過程向油相液滴內進行擴散；此時，油相液滴內的表面活性劑分子自組裝在擴散的水滴表面，從而在油相液滴內形成了穩定的納米級水滴，以作為構建微顆粒內多孔結構的模板。同時，油相液滴中的Fe3O4@Ag納米顆粒在外加磁場作用下沉積至液滴底部，而ZIF-8@ZnO納米顆粒則在界面能量趨勢下遷移至液滴表面。以該演化后的乳液液滴作為模板，由光照引發聚合則可一步便捷地制得具有多孔結構的氣泡驅動型功能微顆粒[圖6（a）～（d）]。該微顆粒底部鑲嵌的Fe3O4@Ag 納米顆粒可作為納米引擎，通過非對稱地在微顆粒一側分解H2O2產生氣泡、推動微顆粒運動，并且有助于微顆粒在磁場作用下的有效回收。而微顆粒的多孔結構則可提供大比表面積，有利于Fe3O4@Ag 納米顆粒在微顆粒底部的結合以及Fe3O4@Ag納米顆粒與H2O2的接觸，進一步促進氣泡的產生，同時減輕微顆粒的質量，促進其在氣泡推進下的運動。微顆粒表面修飾的ZIF-8@ZnO 納米顆粒具有良好的光催化特性，可通過吸附作用使污染物分子富集，同時對富集的污染物分子進行有效光催化降解。該微顆粒可在存在H2O2和UV 照射的情況下，有效耦合ZIF-8@ZnO 的光催化降解以及H2O2/UV 體系的高級氧化過程，并借助微顆粒氣泡推進運動的有效混合傳質強化，來實現對水中有機污染物的高效降解[圖6（e）]。

圖6 界面傳質與反應對多孔微顆粒材料的介尺度結構調控。（a）～（d）基于跨界面傳質過程在乳液液滴內形成納米級水滴作為致孔模板以構建具有多孔結構的氣泡驅動型微顆粒的示意圖[41]；（e）氣泡驅動型多孔微顆粒基于氣泡驅動運動的傳質強化和ZIF-8@ZnO的光催化降解耦合以有效降解水中有機污染物的示意圖[41]Fig.6 Regulation of the meso-scale structures of porous microparticles via trans-interfacial mass transfer and reaction.(a)—(d)Schematic illustrations showing the synthesis of bubble-propelled porous microparticles via creation of water nanodroplets in emulsion droplets as pore-forming templates induced by trans-interfacial mass transfer[41].(e)Schematic illustrations showing the bubblepropelled porous microparticles for efficient degradation of organic pollutants in water based on coupling mass-transfer intensification of bubble-propelled motion and photo-catalytic degradation of ZIF-8@ZnO[41]

在此基礎上，通過均質乳化或者微流控技術在油相液滴內部再引入微米級的水相液滴作為致孔模板，還可以進一步制備得到具有分級式多孔結構的功能微顆粒[38-40,42]。Zhang 等[39]首先利用微流控技術在油相液滴中可控地引入微米級的水相液滴以制得W/O/W 型雙重乳液，再利用油水相間跨界面傳質過程誘導該雙重乳液的演化和雙重乳液內部納米級水滴的形成，從而制得了具有高度連通的微米級孔和納米級孔的分級式多孔結構非球形微顆粒[圖7（a）]。在此過程中，油滴內部的微米級水滴和納米級水滴分別作為致孔模板以構建微顆粒的微米級孔結構和納米級孔結構；而雙重乳液的油相液滴經跨界面傳質導致其體積縮小后，則會根據雙重乳液內部不同數目的微米級水滴的堆積結構來形成相應的非球形液滴模板。以該乳液液滴模板制備的高度連通分級式多孔微顆粒的微米級孔及納米級孔的尺寸、孔隙率、功能性和微顆粒形狀均可靈活調控。該微顆粒巧妙結合了微米級孔的快速傳質和納米級孔的大功能比表面積等優點，在油滴吸附和蛋白質吸附方面展現出了比僅具有納米級孔的微顆粒更好的性能。類似地，Su 等[40]以含有兩個不同組分內部水滴和Fe3O4@Ag 納米顆粒的（W1+W2）/O/W1 型雙重乳液為初始模板，通過跨界面傳質過程在雙重乳液內構建納米級水滴，同時由外加磁場誘導Fe3O4@Ag納米顆粒沉積，從而以該演化后的乳液液滴為模板制得了具有分級式多孔結構的氣泡驅動型功能微顆粒[圖7（b）]。該微顆粒有效耦合了分級式多孔結構的快速傳質和大比表面積，以及氣泡驅動運動過程的傳質強化，可實現對水中重金屬離子Pb2+的高效吸附。此外，Su 等[40]通過在雙重乳液內引入具有催化活性的MIL-88A 納米顆粒和均質乳化制備的微米級水滴，并結合油水相間跨界面傳質過程誘導該乳液內納米級水滴的形成，可控制得了結合有MIL-88A 納米顆粒的分級式多孔結構微顆粒[圖7（c）]。由于在界面能驅使下MIL-88A 納米顆粒傾向于向界面處遷移并使之穩定，因此，該乳液內部的微米級和納米級水滴可提供足夠的O/W 界面用于調控MIL-88A 納米顆粒在界面上的聚集態介尺度結構，以使得MIL-88A 納米顆粒大多暴露在孔表面，有利于納米顆粒與水中污染物分子的接觸。基于其獨特的微納復合結構，該微顆粒可通過非均相類芬頓反應有效降解水中有機污染物分子（如羅丹明B等）。

圖7 界面傳質與反應對分級式多孔微顆粒材料的介尺度結構調控。（a）基于跨界面傳質和反應過程由W/O/W型雙重乳液液滴模板制備分級式多孔微顆粒示意圖[39]；具有分級式多孔結構的氣泡驅動型功能微顆粒[40]（b）以及結合MIL-88A納米顆粒的分級式多孔微顆粒（c）的掃描電鏡圖[42]Fig.7 Regulation of the meso-scale structures of hierarchical porous microparticles via trans-interfacial mass transfer and reaction.(a)Schematic illustrations showing the synthesis of hierarchical porous microparticles from W/O/W double emulsions via trans-interfacial mass transfer and reaction[39].SEM images of bubble-propelled hierarchical porous microparticles[40](b),and hierarchical porous microparticles integrated with MIL-88A nanoparticles(c)[42]

3 結 論

本文主要綜述了近年來微流控乳液模板法構建功能微顆粒材料過程中介尺度結構定向調控的研究新進展。其中，重點介紹了兩方面的內容：（1）乳液液滴模板的介尺度結構調控，主要介紹微流控法可控制備乳液液滴模板的過程中，液滴界面兩親分子聚集態介尺度結構的調控與乳液液滴的運動、吞并、融合、相界面定向演變等動力學行為之間的相互影響關系，以及其對乳液液滴形貌、結構和組成的調控規律；（2）功能微顆粒材料的介尺度結構定向調控，主要介紹乳液液滴模板制備微顆粒功能材料的過程中，界面傳質、反應，以及兩者耦合對微顆粒功能材料介尺度結構的定向調控。相關研究工作將為具有新結構和新功能的先進微顆粒材料的高效制備與性能強化提供理論基礎與指導。