Small:微流控3D液滴打印用于多层乳液和功能材料制备

乳液是一相以液滴形式分散在不混溶的另一相所形成的分散体系,广泛应用于化学工程、材料科学和生物医学等领域。传统的机械方法(如振动、搅拌)往往只能制备一些简单的乳液体系,并且得到的液滴尺寸分布不均、组分较为单一。由于微流控技术具有高通量、易操作、高精度等诸多优点,利用微流控技术可精确控制液滴的乳化过程,制备得到的乳液具有液滴尺寸均匀、液壳层数可控、核液滴数和成分可调等优点,大大提升了乳液在化学合成、细胞培养、器官芯片和功能材料等研究领域的应用前景。然而微流控方法同样存在着一些问题,如芯片几何结构复杂、芯片制造工艺要求高、液体流量调节过程繁琐等。因此,有必要开发创新性技术来提高乳液制备的简易性和灵活性。近年来,微流体和3D打印技术的结合正成为一种强大的工具,已成功构建三维电子系统、成分和性能可调弹性体、结构色-形状协同响应仿生系统等。微流控3D打印技术在新型材料研发上的出色表现,有望为乳液制备提供更为灵活的平台。

图1. (a) 微流控3D液滴打印技术和乳化机理示意图。由 (b) 表面张力和(c) 粘性力主导的双乳液制备过程。

浙江大学陈东研究员、国科大温研院叶方富研究员课题组长期从事微流控、3D打印和软物质材料等领域研究。近日课题组共同合作,结合微流控和3D打印技术,搭建了多层乳液的数字化制备平台。微流控3D打印系统采用透明剪切变稀卡波姆水凝胶作为液滴打印支撑基体,通过可编程代码精确控制打印喷头的位置和液体注射泵的挤出量,可实现乳液结构和成分的可控调节。以水包油包水(W-O-W)型双乳体系为例,由于卡波姆水凝胶剪切变稀的流变特性,离散的油相液滴阵列可在水凝胶基体中稳定悬浮,随后通过程序化设置控制打印喷头移动至油相液滴的相应位置,并将水相液滴注入其中,即可得到双乳体系。对液滴的乳化的机理进行探讨,研究表明,改变中间油相粘度和玻璃毛细管管径时,乳化过程主要由表面张力和粘性力决定的。在表面张力主导状态下,内相液滴随打印喷嘴向上移动,在油/水凝胶界面处被挤压变形而脱离喷嘴。在粘性力主导下,中间油相的粘性阻力足以克服喷嘴的表面毛细张力,从而拖拽内液滴使其与喷嘴分离。

图2. 采用微流控3D液滴打印技术制得的液壳层数、内相液滴数目和组分灵活可调的多层乳液。

总体而言,相较于传统的微流控技术,微流控3D液滴打印在构建多层乳液方面具有以下优势: i)微流控方法高度依赖器件的几何结构,而微流控3D液滴打印则可直接在已有液滴中注入内相液滴,无需过度依赖器件的几何结构;ii)微流控方法在制备特定尺寸和内液滴数的乳液时,需对内、中、外三相流速进行反复精细试验,而液滴打印技术则可通过调整挤出相的数量和向下打印次数高效实现,操作灵活便捷;iii)3D液滴打印平台可以制备具有内相液滴数量和组分可调的多层乳液,比传统的微流控技术展现了更为强大的单液滴操控能力。

另外,以双乳作为模版,微流控3D液滴打印技术可在受限空间下制备半月形磁性功能材料,在外加磁场作用下,实现界面上微粒的捕获和输运。由于其操作简易性和灵活性,微流控3D液滴打印技术在功能性材料设计开发方面已展现巨大潜力,有望广泛应用于软机器人、柔性传感器和生物医学分析等交叉领域。

浙江大学为本研究第一完成单位,博士后陈莉为论文第一作者,陈东研究员、叶方富研究员为论文通讯作者。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目资助。

论文信息:

Emulsion Designer Using Microfluidic 3D Droplet Printing in Droplet

Li Chen, Yao Xiao, Qinglin Wu, Xiaoxiao Yan, Peng Zhao, Jian Ruan, Jianzhen Shan, Dong Chen*, David A. Weitz, Fangfu Ye*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102579

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi 10.1002/smll.202102579