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利用微納微尺度3D打印技術制備微流控液滴生成芯片

2022-09-08

近日，華南農業大學食品學院蔣卓副教授課題組基于微立體光刻3D打印技術,利用光敏樹脂材料實現微流控芯片的制備。此工作利用一種新技術制造了單乳液和雙乳液的微流控生成芯片。這些芯片采用微納微尺度3D打印技術制作，實現宏觀結構和微觀結構的有機結合，可以同時滿足不同乳液類型的制備和生成，清洗后可多次重復使用。同時實現了五個平行通道的單乳液生成，為高通量微流控技術的改進奠定了基礎。基于此，該微流控芯片成功實現了W/O/W（水/油/水）和O/W/O（油/水/油）雙重乳液的制備。此外，由于制備芯片所使用的樹脂材料對油和水都具有良好的潤濕性，因此不需要使用有機試劑對芯片進行局部改性。該工作以“Microfluidicdroplet formation in co-flow devices fabricated by micro 3D printing”為題發表在Journal of FoodEngineering上，第一作者是華南農業大學碩士生張佳。

微流控芯片的設計及3D打印制得的裝置

基于Co-flow原理，通過3D打印技術，制備了單乳液生成芯片（圖1），五個平行流道的單乳液生成芯片以及雙重乳液生成芯片（圖2）。

圖1 單乳液生成裝置

圖2 五個平行流道的單乳液生成裝置和雙重乳液生成裝置

微流控芯片的評價

為了驗證和評估該裝置的可用性，我們選取不同的乳液配方進行試驗。選取不同的油包水和水包油乳液，對乳液生成過程進行記錄，并對收集后的乳液進行分析（圖3）。收集到的油包水乳液單分散性較好，其CV為2.7%。同一裝置上實現了水包油乳液的生成，所得液滴的CV僅為2.2%。

圖3 單乳液生成裝置用于油包水（a、b）和水包油（c、d）乳液的生成及其分散性

利用五個平行流道的單乳液生成裝置進行試驗，可以在同一裝置上實現油包水和水包油兩種不同類型乳液的生成（圖4），所得油包水液滴的CV為2.6%，水包油液滴的CV為3.1%。本研究使用的微流控芯片制作簡單，集成度高，可重復使用。但其生產效率和液滴直徑仍需進一步提高，這也是我們后續研究的重點。

圖4 五個平行流道的單乳液生成裝置用于油包水（b、c）和水包油（d、e）乳液的生成及其液滴的分散性

基于上述實驗結果，我們進行了雙重乳液的生成。在實驗中，通過改變內相、中間相和外相的速度可以調節液滴的尺寸和核殼比例。圖5展示了不同流量下W/O/W雙乳狀液的形成過程和收集的液滴，可以看到明顯的核-殼層。對于O/W/O雙乳狀液的形成(圖6)，實驗過程中可以清楚地看到乳狀液的形成過程，但收集后的乳液穩定性極差，不能觀察到均勻分散的雙乳狀液滴，嘗試了多種O/W/O乳液配方，暫未得到可靠的實驗結果。