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产业气象站|利用微纳微尺度3D打印技术制备微流控液滴生成芯片

许多食品(烘焙食品、乳剂、冷冻产品等)是含有多种成分的分散体系 ， 其中乳液是最常见的 。 传统的乳液制备通常需要高速均质、高压均质等方法 。 这些常用方法制备的乳液其大小、形状和分布是不可控的 ， 存在多分散液滴 。 然而 ， 微流控技术可精确控制多相流 ， 以形成具有所需直径的单分散液滴 。 它在许多行业都有潜在的应用 ， 包括食品、制药、化妆品和生物材料等行业 。 但其液滴生成效率低 ， 不能满足工业化的要求 。 此外 ， 传统方法不能很好的实现多重乳液的制备 ， 而微流控技术可以较好的实现多重乳液的生成 ， 但实验时需用有机试剂对微流控芯片（玻璃毛细管 ， PDMS）进行局部表面处理 。
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近日 ， 华南农业大学食品学院蒋卓副教授课题组基于微立体光刻3D打印技术（深圳摩方材料科技有限公司nanoArchP140）,利用光敏树脂材料实现微流控芯片的制备 。 此工作利用一种新技术制造了单乳液和双乳液的微流控生成芯片 。 这些芯片采用微纳微尺度3D打印技术制作 ， 实现宏观结构和微观结构的有机结合 ， 可以同时满足不同乳液类型的制备和生成 ， 清洗后可多次重复使用 。 同时实现了五个平行通道的单乳液生成 ， 为高通量微流控技术的改进奠定了基础 。 基于此 ， 该微流控芯片成功实现了W/O/W（水/油/水）和O/W/O（油/水/油）双重乳液的制备 。 此外 ， 由于制备芯片所使用的树脂材料对油和水都具有良好的润湿性 ， 因此不需要使用有机试剂对芯片进行局部改性 。 该工作以“Microfluidicdropletformationinco-flowdevicesfabricatedbymicro3Dprinting”为题发表在JournalofFoodEngineering上 ， 第一作者是华南农业大学硕士生张佳 。
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微流控芯片的设计及3D打印制得的装置基于Co-flow原理 ， 通过3D打印技术 ， 制备了单乳液生成芯片（图1） ， 五个平行流道的单乳液生成芯片以及双重乳液生成芯片（图2） 。
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图1单乳液生成装置
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图2五个平行流道的单乳液生成装置和双重乳液生成装置
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微流控芯片的评价为了验证和评估该装置的可用性 ， 我们选取不同的乳液配方进行试验 。 选取不同的油包水和水包油乳液 ， 对乳液生成过程进行记录 ， 并对收集后的乳液进行分析（图3） 。 收集到的油包水乳液单分散性较好 ， 其CV为2.7% 。 同一装置上实现了水包油乳液的生成 ， 所得液滴的CV仅为2.2% 。
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图3单乳液生成装置用于油包水（a、b）和水包油（c、d）乳液的生成及其分散性
利用五个平行流道的单乳液生成装置进行试验 ， 可以在同一装置上实现油包水和水包油两种不同类型乳液的生成（图4） ， 所得油包水液滴的CV为2.6% ， 水包油液滴的CV为3.1% 。 本研究使用的微流控芯片制作简单 ， 集成度高 ， 可重复使用 。 但其生产效率和液滴直径仍需进一步提高 ， 这也是我们后续研究的重点 。
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图4五个平行流道的单乳液生成装置用于油包水（b、c）和水包油（d、e）乳液的生成及其液滴的分散性
基于上述实验结果 ， 我们进行了双重乳液的生成 。 在实验中 ， 通过改变内相、中间相和外相的速度可以调节液滴的尺寸和核壳比例 。 图5展示了不同流量下W/O/W双乳状液的形成过程和收集的液滴 ， 可以看到明显的核-壳层 。 对于O/W/O双乳状液的形成(图6) ， 实验过程中可以清楚地看到乳状液的形成过程 ， 但收集后的乳液稳定性极差 ， 不能观察到均匀分散的双乳状液滴 ， 尝试了多种O/W/O乳液配方 ， 暂未得到可靠的实验结果 。


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