微流控技術制備微球影響因素分析
影響微流控裝置制備微球的因素很多,適用于各種微通道裝置的因素主要有微通道材料性質、微通道的幾何尺寸和形狀、流體的性質和流速比等。
一、微通道材料的性質
微通道是微流控技術制備微球裝置的核心部分,微通道材質不同對成球情況有很大影響. Seo等用流體聚焦型微流控裝置進行乳化實驗時觀察到了“相的倒置”現象,即預計是分散相的液體變成了連續相,而預計是連續相的液體反而成為了分散相,還發現流體聚焦微通道下游的小孔尺寸越大,相的倒置越易發生. 在乳液制備過程中,相的倒置現象主要通過調節實驗流體與微通道內壁間的親和性來避免,(1) 對一定材料制造的微通道內壁進行修飾以改善其與實驗流體間的親和性,如硅烷化、硅化處理都可使親水性微通道表現出疏水性質,而氧等離子切割處理、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)管道表現出親水性質;(2) 通過控制連續相改善其與微通道內壁間的親和性,如添加表面活性劑. Xu等研究發現,向水相中添加Span 80可將由帶有部分親水性質的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制作的微通道表面轉換成完全疏水的表面,向水相中添加Tween 20也能將PMMA表面轉換成親油表面. 由于第2種方法比第1種方法操作簡便,且添加的表面活性劑能降低連續相和分散相間的表面張力,防止乳滴發生聚并,保證乳滴和乳液的穩定性,所以一般通過控制連續相來抑制相的倒置現象。
二、微通道的幾何形狀
微流控裝置中微通道的大小、幾何形狀對乳滴的形成影響很大. 微球或乳滴的大小、形狀可通過微通道的結構、大小,并結合適當的流速比進行有效控制,除球形聚合物外,生成的聚合物還有非球形的,如圓盤狀、橢球狀、棒狀等. 這些非球形粒子通常先利用T型垂直交錯微通道或流體聚焦微通道形成乳滴,然后在特定的區域引發乳滴聚合即可保持乳滴的形狀. 但值得注意的是,無論微流控裝置采用何種結構,2種互不相溶的流體都是分散相進入較細的通道,連續相進入較粗的通道. 圖4為Nie利用微流控裝置制備的各種形狀的乳滴及其相應的聚合物,到達定形區域前的乳滴直徑ds=(6VD/π)1/3,其中VD為乳滴的體積,通過調節連續相與分散相流速控制. 當ds大于微通道寬(w)或高(h)時,球形乳滴就會發生變形,形成各種非球形粒子。
三、實驗流體性質
除了微流控裝置的微通道材料及其幾何形狀影響微球制備外,用于實驗的流體的性質如流速、粘度等對微球的粒徑分布、液滴形成機理也會產生不容忽視的影響,這種影響可以用連續相的毛細管值Cac (Cac=ηv/γ,其中η為連續相粘度,v為連續相平均流速,γ為連續相與分散相流體間的界面張力)來表征. 對于固定的分散相流速,Cac增加會導致形成的乳滴粒徑減小. 以T型垂直交錯微通道為例,Cac值不同,兩相流體間占主導地位的作用力(主要是剪切力和表面張力)會有所差異,其流動模式也可分為幾種。
標簽:   微流控 微流控技術