微流控技术制备微球影响因素分析

影响微流控装置制备微球的因素很多，适用于各种微通道装置的因素主要有微通道材料性质、微通道的几何尺寸和形状、流体的性质和流速比等。

一、微通道材料的性质

微通道是微流控技术制备微球装置的核心部分，微通道材质不同对成球情况有很大影响. Seo等用流体聚焦型微流控装置进行乳化实验时观察到了“相的倒置”现象，即预计是分散相的液体变成了连续相，而预计是连续相的液体反而成为了分散相，还发现流体聚焦微通道下游的小孔尺寸越大，相的倒置越易发生. 在乳液制备过程中，相的倒置现象主要通过调节实验流体与微通道内壁间的亲和性来避免，(1) 对一定材料制造的微通道内壁进行修饰以改善其与实验流体间的亲和性，如硅烷化、硅化处理都可使亲水性微通道表现出疏水性质，而氧等离子切割处理、添加聚乙烯醇(PVA)和聚乙二醇(PEG)能使疏水的聚二甲基硅氧烷(PDMS)管道表现出亲水性质；(2) 通过控制连续相改善其与微通道内壁间的亲和性，如添加表面活性剂. Xu等研究发现，向水相中添加Span 80可将由带有部分亲水性质的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制作的微通道表面转换成完全疏水的表面，向水相中添加Tween 20也能将PMMA表面转换成亲油表面. 由于第2种方法比第1种方法操作简便，且添加的表面活性剂能降低连续相和分散相间的表面张力，防止乳滴发生聚并，保证乳滴和乳液的稳定性，所以一般通过控制连续相来抑制相的倒置现象。

二、微通道的几何形状

微流控装置中微通道的大小、几何形状对乳滴的形成影响很大. 微球或乳滴的大小、形状可通过微通道的结构、大小，并结合适当的流速比进行有效控制，除球形聚合物外，生成的聚合物还有非球形的，如圆盘状、椭球状、棒状等. 这些非球形粒子通常先利用T型垂直交错微通道或流体聚焦微通道形成乳滴，然后在特定的区域引发乳滴聚合即可保持乳滴的形状. 但值得注意的是，无论微流控装置采用何种结构，2种互不相溶的流体都是分散相进入较细的通道，连续相进入较粗的通道. 图4为Nie利用微流控装置制备的各种形状的乳滴及其相应的聚合物，到达定形区域前的乳滴直径ds=(6VD/π)1/3，其中VD为乳滴的体积，通过调节连续相与分散相流速控制. 当ds大于微通道宽(w)或高(h)时，球形乳滴就会发生变形，形成各种非球形粒子。

三、实验流体性质 

除了微流控装置的微通道材料及其几何形状影响微球制备外，用于实验的流体的性质如流速、粘度等对微球的粒径分布、液滴形成机理也会产生不容忽视的影响，这种影响可以用连续相的毛细管值Cac (Cac=ηv/γ，其中η为连续相粘度，v为连续相平均流速，γ为连续相与分散相流体间的界面张力)来表征. 对于固定的分散相流速，Cac增加会导致形成的乳滴粒径减小. 以T型垂直交错微通道为例，Cac值不同，两相流体间占主导地位的作用力(主要是剪切力和表面张力)会有所差异，其流动模式也可分为几种。