微流控技术可控制备异形微颗粒功能材料的研究进展

异形功能性微颗粒由于具有独特的散射、流变和凝结等特性,被广泛应用于工业和临床医学等领域。微流控技术作为一种新兴的微流体操控技术,能够连续可控地制备尺寸均一、结构和功能多样化的微尺度材料。近年来,利用微流控技术制备异形功能微颗粒成为研究热点。主要综述了利用微流控技术制备多面体结构、棒条状、子弹形、多腔室结构、孔-壳形和螺旋形微颗粒功能材料的研究新进展,重点介绍了基于微流控通道的尺寸和形状的限制作用、基于微流控构建层流模板的可控光刻蚀、基于表面活性剂的种类或含量辅助诱导多重乳液反浸润过程和对利用微流控技术制备的单分散液滴进行二次操作制备异形微颗粒功能材料等方面的研究现状。     

微流控液滴模板法可控构建功能微颗粒材料

功能微颗粒材料因其微型化和多功能化等优点而在诸多领域具有广泛的应用。微流控技术作为一种崭新的材料制备技术平台,在可控构建功能微颗粒方面展现出了传统制备技术所不具备的独特创造性和优越性。综述了近年来基于微流控液滴模板来可控构建面向化工、医药、储能、环境等领域的多样化功能微颗粒材料的研究新进展。重点介绍了如何基于微流控乳液液滴模板的结构组分设计来理性设计和可控构建多孔结构球形微颗粒、腔室结构球形微颗粒、多样化结构非球形微颗粒等功能微颗粒材料,探讨了基于微颗粒的微观结构和化学组成的耦合来构筑其独特功能特性的设计策略,展望了微流控技术在可控构建新型功能微颗粒材料方面的未来发展趋势。     

微流控法制备新型微颗粒功能材料研究新进展

微颗粒功能材料在药物传送与控制释放、活性物质封装保护、微反应以及微分离等方面具有极其广泛的应用。相对于传统的微颗粒制备方法,近年来发展起来的微流控技术为可控制备具有不同结构和功能的单分散微颗粒功能材料提供了一个更为优越的技术平台。综述了微流控法制备新型微颗粒功能材料的研究新进展,重点介绍了利用微流控法可控制备具有良好单分散性的球形、非球形、中空型、核-壳型、孔-壳型以及多腔室型功能微颗粒的研究现状。     

微流控法制备新型微颗粒功能材料研究新进展

微颗粒功能材料在药物传送与控制释放、活性物质封装保护、微反应以及微分离等方面具有极其广泛的应用。相对于传统的微颗粒制备方法,近年来发展起来的微流控技术为可控制备具有不同结构和功能的单分散微颗粒功能材料提供了一个更为优越的技术平台。综述了微流控法制备新型微颗粒功能材料的研究新进展,重点介绍了利用微流控法可控制备具有良好单分散性的球形、非球形、中空型、核-壳型、孔-壳型以及多腔室型功能微颗粒的研究现状。     

微流控模板法制备功能化非球形微颗粒研究新进展

功能化非球形微颗粒在生物医药、吸附、传感与检测等方面具有非常广泛的应用。相对于其他非球形微颗粒制备方法,近年来兴起的微流控技术,由于对微尺度流体具有超灵敏的操控特性,在制备和精确调控微米级功能材料方面具有很大的优势。通过精确控制流体在微尺度通道内的流动和剪切,微流控技术可以实现多种形态和结构的微尺度流体、乳液和纤维的可控构建,为非球形微颗粒的可控制造提供了优良的模板。同时,通过在制备过程中引入功能性材料,这些非球形微颗粒将具备更多的功能,从而极大地拓展和丰富了其应用范围。本文综述了近年来采用微流控技术制备功能化非球形微颗粒的研究新进展,重点介绍了以微流控技术构建得到的微流体、多相乳液及微纤维为模板可控制备功能化非球形微颗粒的研究现状。     

微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展

功能微颗粒材料因其微型化和多功能化等优点而在诸多领域具有广泛的应用。微流控技术可控制备的多样化乳液液滴体系为功能微颗粒材料的创新设计与可控制备提供了优良而独特的模板。深入研究乳液模板法构建功能微颗粒材料过程中介尺度结构的形成与演变规律，以及液滴界面介尺度结构与乳液动力学行为、界面传质与反应耦合对微颗粒介尺度结构的影响规律等，对于实现乳液模板结构调控与新型功能微颗粒材料创新制备具有重要意义。本文主要综述了微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展，着重涵盖了两方面内容：（1）微流控法可控制备乳液模板的过程中，液滴界面两亲分子聚集态介尺度结构的调控与液滴运动、吞并、融合、相界面定向演变等动力学行为之间的相互影响关系和调控机制，以及上述调控对液滴形貌、结构和组成的影响规律；（2）乳液模板制备功能微颗粒的过程中，界面传质、反应，及两者耦合对微颗粒介尺度结构的定向调控，以期为新型功能微颗粒材料的高效制备与性能强化提供科学指导。     

微流控法可控构建微尺度功能材料

微尺度功能材料的功能取决于材料结构和组分的精确协同匹配,但如何实现微尺度空间上多样化材料结构的精确调控和功能组分的精确协同定位仍是一大挑战。本文综述了微流控法可控构建新型微尺度功能材料的研究新进展,重点介绍了基于微流控制备的微尺度相界面体系中材料结构和组分的精确协同匹配来设计构建具有独特结构和功能的微尺度功能材料的新策略。首先介绍了以液滴状和液流状微尺度相界面体系为模板,分别可控构建具有多样化结构的功能微颗粒和微纤维的进展;然后介绍了以微通道受限空间内微尺度相界面体系为模板、原位可控构建微通道膜和功能微阀的进展。今后研究应关注于微尺度相界面体系的结构扩展创新及其规模化制备技术。     

微流控法构建微尺度相界面及制备新型功能材料研究进展

微流控技术由于具有优异的流体微尺度相界面调控能力,是实现微结构精确可控的新型功能材料的设计制备与性能调控的重要新兴手段。本文介绍了微流控技术可控构建稳定相界面结构的两大体系：一是具有封闭液-液相界面的乳液液滴体系;二是具有非封闭层状和环状液-液相界面的层流体系。回顾了利用微流控技术构建的这两类稳定相界面结构体系制备三大类功能材料的研究进展：一是利用乳液液滴体系制备微球微囊材料;二是利用层状层流体系制备微通道膜材料;三是利用环状层流体系制备超细纤维材料。指出微流控技术为实现功能材料的小尺度化、薄膜化、纤维化、多功能化、材料元件一体化等带来了新的机遇,提出应进一步深入系统地认识液-液相界面设计与调控以及功能材料合成过程的基本规律和机理。     

微流控制备壳聚糖功能材料研究进展

壳聚糖功能材料由于优异的特性在药物控缓释、水处理、催化等领域显示出许多优势而受到研究者的普遍关注,近年来发展起来的微流控技术为制备结构、尺寸可控的壳聚糖功能材料提供了可靠的新方法。本文综述了微流控技术对于壳聚糖功能材料的形貌调控以及在此基础上的应用研究进展。     

液滴微流控的集成化放大方法研究进展

相比于传统乳化方法,液滴微流控技术可以在微通道内可控制备单分散液滴模板用于合成各种功能微球,被广泛应用于生物、医疗、制药、环境等领域。由于单个液滴制备微流控单元的产量低,液滴微流控的集成化放大成为了液滴微流控技术面向工业应用的技术难点。本文综述了近年来液滴微流控集成化放大方法的研究进展,重点介绍了不同类型液滴制备微流控单元集成化放大的研究进展,包括基于剪切力形成液滴、基于界面张力形成液滴和基于被动分裂形成液滴的液滴制备微流控单元的集成化放大方法。     

微流控纳米结构材料制备的分析

微流控技术具有高效、低样品和溶剂消耗量、可控性强等优点,在科研中发挥着重要的作用。由于在乳液设计方面独特的优势,被引入到高分子科学研究中,通过微流控技术,可以制备单分散的单乳液、双乳液以及多乳液,且乳液的粒径在一定范围内可控。介绍了纳米材料制备方法及微控流技术应用范围,提出通过微流控技术来制备纳米结构材料,以期得到单分散且结构高度一致的纳米材料,并在一定范围内对其尺寸进行调控。     

渗透诱导结构演化的微流控双重乳液为模板合成聚合物微颗粒的研究

利用渗透压诱导的水分子跨界面传质过程实现了双重乳液尺寸和结构的调控，并将可控演化的双重乳液液滴作为模板，可控制得到中空结构、孔壳结构等多种结构的功能微颗粒。利用微流控技术产生均一尺寸的双重乳液，通过在双重乳液内部液滴和外部水相中采用不同盐浓度来构建渗透压差，使得双重乳液在渗透压差驱动下经水分子跨界面传质发生收缩/膨胀过程，实现对双重乳液尺寸结构的演化和调控，推导了其在演化平衡时内部水滴尺寸的计算公式。利用不同演化阶段的双重乳液为模板，成功制得了具有中空结构和孔壳结构且壳层具有多孔结构的聚合物微颗粒。该研究为新型聚合物微颗粒的设计和可控构建提供一种有效策略。     

微流控制备金属/共价有机框架功能材料研究进展

近年来,金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)等多孔材料因其结构单元的多样性和可设计性,不仅可以构筑具有多样化拓扑类型和化学物理性质的骨架结构,还可以精准调节结构中孔道的形状、大小和孔径分布,在气体吸附与分离、催化和化学传感等方面展现出广泛的应用价值。然而传统间歇式合成方法中相际间缓慢的微观传递过程,不利于材料的连续均一制备。近年来,微流控技术连续操作、精准可控、传递效率高和高度可重复性等特点在纳米材料制备领域体现了独有的优势。本文综述了近年来利用微流控技术制备MOF和COF材料的研究成果,重点介绍微流控强化合成过程,实现快速制备MOF和COF功能材料,以及通过微流体精准调控多孔材料微结构的研究工作。     

混合增强的微流控通道进展

以微尺度过程强化为特征的微流控技术具有传质传热效率高、反应速率快、反应器尺寸小、可控性高以及易于放大等特点,被广泛应用于各个方面。其中,在流体混合领域,微流控技术所采用的微通道能够增强多相流体之间的传质,实现样品的快速混合,从而强化反应过程。常用的增强混合的方法可分为改变各通道结合处的通道类型（如从T型变到同轴流动聚焦）、改变通道内部结构（如从普通微通道变为含内部挡板微通道）以及改变流体的流形（如从层流变为泰勒流）三种。本文主要介绍了近年来微尺度过程强化技术在微流控通道设计方面的研究进展,分析了不同类型微流控通道的设计及原理,简述了不同类型微流控通道的混合增强效果,并介绍了微流控通道在制备纳米颗粒等功能材料方面的应用。未来,精细化、集成化且制造简单的微流控装置将会在过程强化中得到更充分的应用。     

微流控合成与制备含能材料新进展

<正>微流控（Microfluidics）是指在数十到数百微米的微尺度上操作和控制流体的科学和技术。与微流控概念密切相关的还有微反应器、流动化学、微化工等。这些领域研究的侧重点有所不同，但共性都是基于化学芯片、微通道、微结构等形成的微尺度流体开展工作。南京理工大学“微纳含能器件工业和信息化部重点实验室”的朱朋、沈瑞琪课题组，近期发展了多种微流控形式，构建了具有在线检测、快速筛选与小批量制备等功能的高通量微流控系统，用于合成与制备高品质含能材料。     

基于PMMA材料的微通道快速加工技术

近年来,基于聚合物的微加工制造技术已经成为微细加工领域的研究热点,已广泛应用于制备芯片实验室和微流控芯片。以热压技术为基础,研究利用加热电阻丝制备微流控芯片微通道的快速加工技术,并最终实现了基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料的微通道快速加工,获得了电阻丝压印微通道的最优条件,在电流1. 8 A、时间5s、压力为44. 59 N条件下获得的微通道宽度变形率约为8. 5%,深度变形量约为8. 9%,可以在2 h左右制备完成PMMA微流控芯片。最后,利用该加工技术制作了十字型流动聚焦型微流控芯片,可稳定生成34～74 nL范围内的微液滴,实验结果显示利用本快速加工技术所获得的微通道圆润光滑、性能稳定、键合密封牢固。     

液滴流微反应器的基础研究及其应用

综述了近些年来快速发展的液滴微流控技术, 回顾了微流控系统中液滴的基本行为, 如液滴的生成、运动、聚并和分裂等研究进展, 重点探讨微液滴作为反应器其内部的流动、传质和反应过程, 以及液滴流微反应器已有的和潜在的重要应用价值。通过精确调控液滴在微尺度上的行为(产生、聚并与分裂、内部的混合与反应等), 使单个液滴成为新型受限空间内的微型间歇反应器, 而微通道内的液滴流进而形成了若干间歇反应器构成的连续流反应器新型式。除了微流控技术普遍具有的微小尺寸效应带来传质传热强化、易于放大等优势外, 液滴流微反应器还具有诸如避免试剂交叉污染、液滴内部可控混合、易于独立调控、便于高通量筛选或者制备等独特特点, 使得其在功能材料制备、化学合成以及生物化工方面有着广泛的应用。     

一步法制备生物相容油核微胶囊及其可控释放

一步法可控制备生物相容油核微胶囊对工业制备微胶囊及其应用具有重要意义。通过设计微流控器件,成功实现一步法制备尺寸均一可控的生物相容油核微胶囊。利用玻璃毛细管管套管的方法制备了微流控器件。通过外相水凝胶相剪切内相油相得到油核液滴,同时油核液滴和外相水凝胶相在重力作用下脱离管口,形成油核微胶囊,再通过交联水凝胶壳层得到稳定的结构。系统研究了微流控器件结构、内相流速、外相流速等参数对油核微胶囊油核数量、微胶囊直径、壁厚等性质的影响规律。生物相容油核微胶囊作为活性物质的理想载体,可以实现pH改变触发的快速释放和壁厚调节的缓慢释放,为其实际应用奠定了基础。     

产品开发

正新型微流控液滴包裹技术研发前景好新型微流控液滴包裹技术,与传统液滴包裹技术相比,其优点是:操作灵活、可控性强、可通过改变通道数量、结构等方式制备双乳、复乳液滴,每层液滴的尺寸和数量还可通过调节流量等参数进行调控。因此新型微流控液滴包裹技术研发和应用具有非常广阔的前景,可应用于生物医学、食品科学、化妆品、医药等诸多领域。新型微流控液滴包裹技术主要包括膜乳化包裹、外力驱动乳化包裹、微通道乳化包裹等。     

同轴环管微流控设备内液-液两相黏性流体的流动规律

进行了同轴环管微流控设备内黏性聚合物溶液的流动行为研究。研究发现通过调节两相流体黏度与流量,可以得到滴流和射流两种稳定流型,并且可以进一步实现液滴尺寸的调控。同时,还分别针对不同流型建立了数学模型用于液滴尺寸预测。所得结果可以用做利用微流控技术制备聚合物微球的理论指导。