微流控（microfluidics）技術也稱為芯片實驗室（lab-on-a-chip）技術，是 20 世紀 90 年代問世的一項新技術，其通道和構件的尺寸為幾十到幾百微米，可靈活操控微小體積流體在微小通道或構件中流動。由于順應了微型化和集成化這一現代科技文明發展趨勢，微流控技術迅速獲得國際科學界和產業界的廣泛關注和重視。

由于微流控技術對微小體積流體的精確可操控特性，它正在從當初作為分析化學平臺的微分析和微檢測技術向高通量藥物篩選、微混合、微反應、微分離等領域迅猛延伸，邁上新的臺階。由于其優異的流體界面控制能力以及優良的傳質傳熱性能，微流控技術作為一種嶄新的材料制備技術平臺，目前已在構建微結構精確可控的高性能新型微囊微球材料、微通道膜材料以及超細纖維材料等方面嶄露頭角，特別是在一些高附加值新型功能材料的設計與制備方面顯示出傳統技術無法比擬的創造性和前所未有的優越性。

概括起來，微流控技術通過微通道對不互溶的液相體系可控構建的穩定相界面結構主要可分為兩大體系：

一是具有封閉液-液相界面的乳液液滴體系；二是具有非封閉液-液相界面的層流體系，見下圖。

利用微流控構建的這兩大類穩定的相界面結構體系，主要可用以制備微結構精確可控的三大類高性能新型功能材料：

一是利用具有封閉液-液相界面的乳液液滴體系制備微球微囊材料；

二是利用具有非封閉層狀液-液相界面的層流體系制備微通道膜材料；

三是利用具有非封閉環狀液-液相界面的層流體系制備超細纖維材料。

如下圖所示，微流控技術在構建這三類功能材料方面顯示出優越的可控性和巨大的潛力，可以在功能材料的小尺度化、薄膜化、纖維化、復合化、多功能化、智能化、材料元件一體化等方面發揮其特有優勢，實現具有新結構、新功能和高性能特征的新型功能材料的可控構建與系列化。本文將介紹近些年來微流控技術構建微尺度相界面及制備新型功能材料方面的研究進展。

圖1 微流控法構建微尺度穩定相界面及用以制備新型功能材料的體系圖

1、微流控構建微尺度封閉液-液相界面及制備微球微囊材料

微球微囊材料由于其小尺寸和可控內部結構，可作為微存儲器、微反應器、微分離器和微結構單元，在藥物送達、物質包封、化學催化、生化分離、人工細胞和酶固定化等領域具有十分廣闊的應用前景。微球微囊材料的制備一般都是以具有穩定封閉液-液相界面的乳液液滴，如油包水（W/O）或水包油（O/W）單乳、W/O/W 或 O/W/O 復乳、或更復雜的多重乳液作為模板，在液滴內或相界面處通過后續的聚合、交聯、溶劑揮發、固化、組裝等方法完成。傳統制備乳液液滴的方法主要是靠機械攪拌或流體剪切，所獲得的乳滴以及以其作為模板制得的微球微囊的尺寸和內部結構都難以得到很好地控制，大大影響了微球微囊材料的性能及應用。微流控技術由于能夠通過 T 形垂直交錯型、流體聚焦型和環管同軸流型等微通道裝置將分散相可控地分散到連續相中，實現對乳液液滴相界面微結構的連續精確控制，在制備尺寸、單分散性和微結構精確可控的微球微囊材料方面呈現出顯著的優越性。

國內外研究者們利用微流控構建微尺度封閉液-液相界面及制備單分散微球微囊材料方面已取得了許多重要進展。在應用微流控制備微球微囊材料方面的國內外研究中，絕大多數研究工作都主要集中在利用 W/O 或 O/W 單乳（如上圖左上角第一排所示）作為模板制備單分散微球、或利用簡單 W/O/W 或O/W/O 復乳（如上圖 左上角第二排第一列所示）作為模板制備單分散核殼型微囊，也有一些研究嘗試了利用微流控技術制備同成分多核結構微球、Janus 微球以及非球形顆粒等新材料。近來，作者課題組采用通過微通道的串聯和并聯方法可控構建了具有微尺度多相多組分復雜結構液-液相界面的多重乳液體系，并以其作為模板制備了實現多相多組分物質可控裝載的微球微囊、以及新型多功能復雜結構微球微囊材料。

總的來說，迄今的這些研究尚未充分發揮微流控技術通過微通道的串聯和并聯可控構建具有微尺度多相多組分復雜結構液-液相界面的多重乳液體系的優勢（圖 1 左側）。究其原因，一方面在于微流控技術尚屬一項新興技術，目前在新型功能材料制備方面還在起步階段；另一方面，相比于簡單的W/O或 O/W 單乳以及 W/O/W 或 O/W/O 復乳，具有微尺度多相多組分復雜結構液-液相界面的穩定多重乳液體系的微流控構建難度更大，還需深入研究其構建與調控機制；而且，以其為模板制備多功能復雜結構微球微囊過程中液-液相界面微結構和界面傳質與反應之間的作用與反作用關系更為復雜和重要，更需要深入認識。

2、微流控構建微尺度層狀液-液相界面及制備微通道膜材料

功能膜材料技術由于在分離、純化、催化、分析檢測、控制釋放、乳化等方面的優異性能，被認為是可持續發展的支撐技術之一，同時作為重要的化工分離技術而受到高度重視。如果把膜材料與微流控技術結合起來，將會發揮二者的協同優勢，實現功能材料和元件的一體化。這樣，不僅能夠促進膜材料在微分離和微分析檢測等方面的應用，還能為微化工或微反應工藝提供新型催化或反應分離耦合技術，應用前景十分廣闊。因此，作為一項嶄新的技術平臺，微通道膜材料技術正日益受到國際上不同學科領域的高度重視。

研究發現，在同向流微通道中，當不互溶的多相流體同時流入同一微通道時，通過微流控層流技術可形成穩定的層狀層流流型（圖 1“層狀界面”），各相流體可在保持自身流型不變的情況下，只在液-液相界面處發生聚合、交聯等化學反應，在微通道內形成單層或多層平行的新型超薄膜材料。微通道膜材料可將微通道分隔為若干獨立的通道，利用功能膜材料的選擇滲透性或吸附作用，可以實現流相中物質的選擇分離、提取、分析檢測等應用；也可將催化劑有效沉積在膜材料的表面，從而增大微通道內催化材料的比表面積，加快微通道內催化反應的速率。由于微通道膜材料的制膜工藝不同于傳統的制膜工藝，迄今僅有為數不多的文獻報道了利用微流控層流技術在微通道內制備聚酰胺、殼聚糖等材質的微通道膜材料；而對于其他許多性能優良的膜材料，在微通道內利用微流控層流技術成膜的工藝尚未見文獻報道。另外，環境響應型智能膜材料由于能夠根據外界環境的物理或化學信號的變化來自律式調節其有效膜孔徑和滲透性而顯示出普通膜材料無法比擬的優越性，如果將智能膜材料與微流控技術結合起來，無疑將為微分離、微分析檢測、微反應等過程的強化和膜性能的提高提供高效支撐技術。但是，迄今尚未見到利用微流控構建微尺度層狀液-液相界面來制備微通道智能膜材料方面的研究報道，究其原因，相比于普通平板膜材料的制備，微通道中受限空間內膜材料的原位制備難度更大，成膜工藝和過程受限更多，不僅受成膜材料體系的影響，更受流體相界面結構和微通道尺度的影響。因此，尚需深入研究微通道膜材料制備過程中微尺度層狀液-液相界面的構建與調控、膜材料合成過程中的液-液相界面微結構和界面傳質與反應之間的作用與反作用關系以及微通道膜的多功能化途徑。

3、微流控構建微尺度環狀液-液相界面及制備超細纖維材料

超細纖維材料在光電、生物醫藥、化工、輕工等領域具有廣泛的應用，其中，中空超細纖維膜材料在化工分離等過程中起著十分重要的作用。目前，超細纖維材料的制備主要采用熔融紡絲法、靜電紡絲法等，這些方法尚難以實現超細纖維材料微結構精確調控或賦予其多功能化特征；因此，需要尋求新的制備工藝和方法，而微流控層流技術正是極具前景的新方法。

研究發現，通過微流控層流技術可將不互溶的多相流體在微通道內形成穩定的環狀界面層流流型（圖 1“環狀界面”），利用此穩定的多相環狀界面層流體系，可在液-液相界面處或相內進行反應或固化而制備得到線狀實心超細纖維、管狀中空超細纖維或核殼型復合超細纖維等材料。由于微流控技術可實現對環狀層流液-液相界面的連續精確調控和對纖維材料合成體系的優化設計。因此，相比于傳統的紡絲技術，微流控技術在精確調控和設計超細纖維材料的微結構以及提升超細纖維材料的性能或賦予其多功能化特征等方面均具有顯著的優越性。

國內外研究者采用微流控技術成功制備出了海藻酸鈣、聚乙烯醇、聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）、脂質體、殼聚糖、聚醚砜、聚丙烯腈、四硫富瓦烯（tetrathiafulvalene）/銅復合物、二氧化鈦等材質的超細纖維功能材料，顯示出微流控技術構建微尺度環狀液-液相界面及制備超細纖維材料的靈活性和非凡潛力。但是，由于微流控技術構建微尺度環狀液-液相界面及制備超細纖維材料尚屬一項新工藝，迄今報道的微流控制備超細纖維材質還十分有限、且超細纖維的微結構設計還較簡單。微流控技術可以通過對多相流體環狀相界面上的反應與組裝以及流體相內的復合與反應等方式進行精確操控，以賦予超細纖維材料新型可控復合微結構以及實現其多功能化等特性。如在微通道內通過構建微尺度非封閉環狀液-液相界面實現“一步法（one-step method）”制備中空超細纖維智能膜材料、新型復合結構的無機超細纖維功能材料以及中空或核殼型有機/無機復合超細纖維功能材料等新型功能材料，但迄今還少有相關報道。究其原因，一方面在于微流控技術在設計制備超細纖維材料方面尚屬一項新技術，目前還在起步階段；另一方面，相比于上述幾種材質的超細纖維功能材料的微流控制備，中空超細纖維智能膜、新型復合結構的無機超細纖維以及中空或核殼型有機/無機復合超細纖維等功能材料由于其微結構和成型過程影響因素更復雜，其材料微結構和性能可控難度更大，需深入認識其結構形成與性能調控機制。

總結

微流控技術的出現為新型功能材料的設計與可控制備提供了一個嶄新的技術平臺，為實現功能材料的小尺度化、薄膜化、纖維化、復合化、多功能化、智能化、材料元件一體化等帶來了新的機遇，特別是在構建微尺度液-液相界面以及制備微結構精確可控的高性能新型微囊微球材料、微通道膜材料以及超細纖維材料等方面優勢突出。

但是，有關微流控技術通過構建微尺度液-液相界面來制備新型功能材料方面的研究工作尚屬起步階段，迄今微流控技術在構建微尺度相界面及制備微囊微球材料、微通道膜材料以及超細纖維材料等方面尚存在許多問題，研究對象需要拓展，液-液相界面設計與調控以及材料合成過程的基本規律和機理有待深入認識。

概括起來，主要有以下幾個方面的問題：

①所構建的微尺度液-液相界面及制備的功能材料其微結構還較為簡單，尚缺乏對復雜結構和多功能材料的設計與制備；

②所研究的材料對象還較零散，尚缺乏系列化設計和系統性的理論和技術基礎；

③所制備的功能材料多為有機材質，對無機材料或有機/無機復合材料的設計與制備尚顯欠缺；

④尚欠缺對設計和構建系列化液-液相界面微結構及其穩定性的深入研究；

⑤尚欠缺對材料合成制備過程中的液-液相界面微結構和界面傳質與反應之間的作用與反作用關系及其進一步對材料微結構形成過程的影響及調控行為方面的研究。

（國家自然科學基金及教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”創新團隊項目）