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。     

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。     

微流控法可控制备放射性壳聚糖栓塞微球

以壳聚糖(CS)为基材原料,京尼平为交联剂,采用液滴微流控法制备了粒径在20～90μm范围内精确可调的可用于内放射介入治疗的栓塞微球。首先,通过在CS微球上接枝螯合剂1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸(DOTA)进行改性,制备DOTA-CS微球,使微球具有稳定的负载放射性核素镥-177(¹⁷⁷Lu)的能力。然后,通过DOTA与¹⁷⁷Lu稳定的螯合作用,制备了DOTA-CS-¹⁷⁷Lu微球。探究了制备过程中乳液模板和CS微球之间大小变化的规律,实现了对微球尺寸的精确预测和调控。所制备CS微球的直径变异系数均低于5%,尺寸均一,单分散性好,具有良好的溶胀性能与弹性。通过分析傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外可见吸收光谱(UV-Vis)与电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)结果,得出1∶1(质量比)为DOTA与微球的最佳改性比例。扫描电子显微镜(SEM)结果表明DOTA改性对微球的形貌与结构无影响。血液相容性实验与细胞毒性实验的评价结果表明,DOTA改性前后的CS微球均表现出良好的生物相容性。模拟体...     

微流控法制备示踪微球用于液滴传质行为

粒子示踪法是可视化液液对流传质过程的重要手段,但传统方法制备的聚苯乙烯示踪微球存在尺寸分布不均匀、表面光洁度不高等问题。采用微流控方法制备聚苯乙烯示踪微球,并与商用聚苯乙烯示踪微球进行性能对比,进一步利用所制备的示踪微球开展液滴对流传质行为研究。结果表明：基于微流控技术制备的示踪微球表现出优异的单分散性,相较于商用聚苯乙烯示踪微球单分散性提升约17%,且在球形度和表面光洁度方面均优于商用聚苯乙烯示踪微球。借助示踪微球在不同质量分数的冰乙酸-水混合溶液下观察到Rayleigh-Bénard效应主导、过渡模式和Marangoni效应主导3种对流传质模式,其中Rayleigh-Bénard对流主要受浮力/重力控制着液滴内部的流体流动,在液滴内部形成对称大涡流组结构,在以Marangoni效应为主导的传质过程中的流体流动主要是由于界面张力梯度产生的,而过渡模式则是由于浮力和重力与界面张力之间的相互竞争所导致的。     

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。     

微小液体流量校准技术

微小液体被广泛应用于微反应器中,具有传热传质效率高、高通量、集成化、方便控制等优势,微小液体流量计可以实现对样品的精确控制,但在极低流量下（μL/min乃至nL/min）,微小液体流量计存在计量基标准不完善、校准难度大等问题。本文综述了目前在微小液体流量计量领域所采用的几种校准技术,主要包括质量法和体积法,并根据现有的研究给出了这些技术目前所能达到的校准范围和不确定度。分析表明,现有的质量法微小液体流量校准技术在应用于微小液体时仍具有不足,需要进一步研究多种作用机制的影响;体积法微小液体流量校准技术有多种实现方式,虽然目前仍处于探索阶段,但在未来有望成为更具有研究前景的一种方法。最后,结合微小液体流量计量技术的发展和先进测量体系的建设,展望了微小液体流量计量的发展前景。     

3D打印在微反应器制造中的应用

3D打印技术具有自由设计、生产时间短、节约材料、无需模具、易于制造复杂结构等优点,使其在微反应器设计和制造方面能够发挥巨大作用。本文对比了几种常用微反应器的制造工艺,重点综述了3D打印技术在微反应器制造中的应用进展。     

微反应器技术在有机合成中的应用

近年来微反应器技术这一新兴技术已经逐渐成为国际精细化工技术领域的研究热点。介绍了微反应器技术最新研究进展,列举了微反应器在有机合成反应中应用的成功范例。     

纳米超细分子筛的合成研究

纳米超细分子筛的制备是纳米材料研究领域的热点之一。对纳米超细分子筛的两种合成方法——控制晶化条件法（包括溶胶的控制晶化合成和凝胶的控制水热晶化合成）和微反应器模板内限制晶化法的研究和发展现状进行了评述，并分别阐述了各自的优缺点，提出了今后研究的重点。微反应器模板内限制晶化法由于优点突出，将成为纳米超细分子筛合成的重要路线。     

Effect of ultrasonic waveforms on gas–liquid mass transfer in microreactors

This study aims to investigate the effect of ultrasonic waveforms on the gas–liquid mass transfer process. For a given load power (P), continuous rectangular wave yielded stronger bubble oscillation and higher mass transfer coefficient (k_La) than continuous triangular and sinusoidal wave. For pulsed ultrasound, the k_La decreased monotonically with decreasing duty ratio (D), resulting in weak enhancement at low D (≤33%). For a given average load power (P_A), concentrating the P for a shorter period resulted in a higher k_La due to stronger cavitation behavior. For a given P_A and D, decreasing the pulse period (T) led to an increase in k_La, which reached a constant high level when the T fell below a critical value. By optimizing the D and T, a k_La equivalent to 92% of that under continuous ultrasound was obtained under pulsed ultrasound at a D of 67%, saving 33% in power consumption.     

Bubble splitting under gas–liquid–liquid three‐phase flow in a double T‐junction microchannel

Gas–aqueous liquid–oil three‐phase flow was generated in a microchannel with a double T‐junction. Under the squeezing of the dispersed aqueous phase at the second T‐junction (T2), the splitting of bubbles generated from the first T‐junction (T1) was investigated. During the bubble splitting process, the upstream gas–oil two‐phase flow and the aqueous phase flow at T2 fluctuate in opposite phases, resulting in either independent or synchronous relationship between the instantaneous downstream and upstream bubble velocities depending on the operating conditions. Compared with two‐phase flow, the modified capillary number and the ratio of the upstream velocity to the aqueous phase velocity were introduced to predict the bubble breakup time. The critical bubble breakup length and size laws of daughter bubbles/slugs were thereby proposed. These results provide an important guideline for designing microchannel structures for a precise manipulation of gas–liquid–liquid three‐phase flow which finds potential applications among others in chemical synthesis. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 376–388, 2018     

声化学微反应器——超声和微反应器协同强化

微反应器和声化学技术都是化工过程强化的重要手段,但都有优缺点。阐释了“声化学微反应器”的理念--微反应器和声化学技术相互集成,利用超声强化微通道内的混合、传质和预防堵塞等,同样借助微反应器实现声场和气泡场的有效调控并解决声空化过程的放大难题,实现协调强化的目的。同时,深入剖析了声化学微反应器内的声空化行为、声场和气泡场调控规律,以及多相流动体系中的混合与传质强化机制。最后展望了该领域的发展方向,并指出超声空化过程中表界面时空尺度现象和理论是实现并优化超声强化的基础。