微液滴在工程領域應用十分廣泛,可用于乳化產品、液體混合、細胞包覆及生物醫學載藥等,具有體積小、樣品無擴散、樣品無交叉污染及易混合等優點。

傳統的微液滴制備方法有界面聚合法、靜電紡絲法、膜乳化法、超聲振動和高速攪拌法等,但是這些方法在液滴穩定性、均勻性、單分散性及粒徑精確控制等方面仍存在不足,而微流控芯片法因生成液滴體積小、液滴生成速度快、粒徑精確可控且均勻穩定、操作簡單以及分散性良好等優點逐漸被廣泛使用。

微流控芯片法制備微液滴可分為主動法和被動法兩類,主動法包括利用介電潤濕法分割、氣動法和熱驅動法等,被動法包括T型通道法、流動聚焦法和共軸流聚焦法。被動法的基本原理是利用流動剪切力與表面張力之間的相互作用將連續流體分割成微/納升級別的微小液滴。

Samanipour等人利用流動聚焦法制備了甲基丙烯酰化明膠(Gel-MA)的水凝膠液滴,計算研究了粘度、慣性力和表面張力對液滴生成和液滴粒徑的影響。

Y.He等人基于微流控技術制備出高密度無損耗液滴,結合光刻蜂窩微柱陣列(PHMA)展現了微液滴在數字聚合酶鏈式反應(PCR)領域的應用前景。液滴微流控技術已被用于一體化、全自動高通量微生物微液滴培養裝備系統及單個哺乳動物細胞的高通量篩選和數字化操作。磁流體由強磁性微粒子、界面活性劑及溶媒(或稱載液)組成,是一種固液共存的二相流體,包括分散相的磁性粒子與連續相的溶媒。

采用磁流體材料制備了微液滴,得到的磁性微液滴具備運動可控、操控簡單、生物兼容性好及分散性良好等優點,可廣泛應用于載藥等生物醫學應用領域。目前,關于磁性微液滴的制備已有多項研究成果發表,如Y.T.Yang等人提出了一種基于毛細管的微流體裝置,并結合紫外固化生成具有磁性各向異性的Janus粒子的簡便方法。

W.Lan等人提出了一種在微流控系統中利用流動聚焦法制備熒光磁性藻酸鹽微粒的簡便方法,通過剪切破裂機制可重復地形成熒光磁性Janus微液滴。此外,H.Wang等人應用組裝的3D打印微通道生成磁性離子液體(MIL)-水Janus液滴,并分析了MIL-水Janus液滴的縮放規律,可進一步用于液滴尺寸預測。隨著液滴微流控技術的發展,微液滴制備手段及微液滴應用越發廣泛。

目前研究大多偏向于普通微液滴的制備、操縱和應用,而對制備過程中尤其是磁性微液滴制備過程中,液滴形狀和粒徑控制的影響因素等基礎制備工藝機理研究相對較少,傳統方法制備磁性微液滴還面臨液滴粒徑及形態較難控制的問題,而微流控技術是一種在微納尺度制備及操控液滴的新技術,能夠實現高通量和高度分散性微液滴的制備。

已有研究人員通過設計十字型流道,或是將十字型的出口端改為漸擴噴嘴的形狀來強化流體聚焦的效應,形成位置精確的切斷點,能精準地控制液滴粒徑和產生速率。微液滴生成的粒徑與流體受到的剪切力和流體粘度直接相關,粘度和表面張力是決定液滴粒徑大小和液滴是否斷裂的重要參數。改變分散相、連續相流速是目前研究常用的調控液滴粒徑大小的方法。