Small:液滴融合的“慢镜头”——基于微流控乳液的部分融合制备非球形微颗粒

微颗粒材料在药物运输、组织工程、自组装与检测等方面具有非常广泛的应用。在微颗粒材料的众多参数中,形状是一个十分重要的参数。近年来兴起的微流控技术,由于其对微米尺度流体的精确操控特性,在制备微颗粒材料方面展现出巨大的优势。利用这一技术,可以实现快速制备单分散性的球形微乳液和微颗粒。但是,如何高效制备非球形的微颗粒仍然是一个挑战,因为在乳液产生过程中,界面张力起主导作用,在其作用下液滴都以球体的形式出现。而相比于球形微颗粒,非球形微颗粒具有更独特的功能,在化妆品、生物科技、结构材料和药物等领域有着广泛的应用。而目前发展的非球形微颗粒的制备方法存在着过程复杂、效率低和形状单一等问题,因此,如何简单、高效地制备多种非球形微颗粒是一个难题。

为了解决上述问题,清华大学化学系李广涛课题组提出了通过微流控乳液的部分融合来制备非球形微颗粒的策略。他们利用离子液体溶解锂盐产生的高渗透压和高粘度体系作为双重乳液内相,在渗透压和粘度的作用下驱动微流控乳液发生部分融合,进而成功制备出了非球形微颗粒。在该体系中,液滴间的融合过程不再是瞬间发生,而是一个持续时间长达几天的缓慢过程,因此实现了对液滴融合过程“慢镜头”的捕获,这一独特现象源于体系中较高的粘度和较低的表面张力作用。通过调节体系组成和微流控参数,他们分别大量制备出了哑铃形、棒状、纺锤形、雪人形、不倒翁形、三角星形、三角形和异形三角形微颗粒。这些非球形微颗粒可以用来设计产生各种功能材料,还可以作为新型的构筑基元进行进一步组装形成高级材料。充分利用离子液体广泛的溶解性能,他们还将该体系拓展成了一个通用的平台,用以制备各种材质的非球形微颗粒。同时,通过调整体系的渗透压,这种体系还可以实现乳液的顺序融合,展现出在构建微反应器方面的巨大潜力。 研究者相信,通过该方法制备的多种非球形材料在自组装和微反应器领域有着重要的应用,更重要的是,此项研究将会为材料的制备提供一种新的思路,从而设计和合成出更多新的功能材料。相关论文以“Creation of Nonspherical Microparticles through Osmosis‐Driven Arrested Coalescence of Microfluidic Emulsions”为题,在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.201903884)上,第一作者为清华大学博士生冯凯,共同第一作者为高宁博士,通讯作者为李广涛教授。