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

功能微颗粒材料由于具有微型化、多功能化等诸多优点，而被广泛应用于药物递送和控释、物质封装与储存、物质分离与纯化、微型生化反应等领域[1-6]。通常来说，功能微颗粒材料的关键性能指标与其尺寸、单分散性、形貌、结构、组分等因素密切相关[7-10]。然而，传统制备方法尚难实现对于功能微颗粒材料形貌、结构和组成等的精确控制，从而限制了其高性能和应用效果。微流控技术能够在微米或亚毫米限域空间内精确操控多相流体的流动和分散，其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一种优良而独特的模板[11-14]。通过对乳液液滴模板的几何尺寸、均一性、形貌、结构与组分等进行精确调控，可实现功能微颗粒材料的尺寸、均一性、形貌、结构、组分以及功能特性的理性设计和调控[15]。

微流控乳液模板法构建功能微颗粒材料通常包含两个过程：乳液液滴模板的可控构建以及乳液液滴模板的固化成型。在乳液液滴模板的构建过程中，一个液相被可控地分散到另一个互不相溶的液相中；此时，两亲性表面活性剂分子或纳米颗粒有序地在两相界面上排布聚集以稳定液滴界面。液滴界面上两亲性表面活性剂分子或纳米颗粒的聚集态介尺度结构对于液滴界面的稳定性具有重要作用[16]。通过调控该介尺度结构，可以控制液滴界面的稳定性，实现液滴间的可控吞并/融合，从而实现对乳液液滴结构和组成的灵活调控[17-20]。而对于涉及三个液相甚至更多液相的复杂乳液体系来说，通过该介尺度结构的调控，还可以进一步控制乳液液滴的相际运动、结构演变等，从而可控构建形貌、结构和组成更加多样化的乳液液滴模板[21-22]。然后，在乳液液滴模板固化成型来构建功能微颗粒的过程中，液相中的功能单体、纳米颗粒、小分子等在液滴表面及内部形成聚团的介尺度结构，并逐渐固化成型为功能微颗粒。在此过程中，界面传质与反应对该介尺度结构的定向调控，以及对所成型的微颗粒的结构和功能的调控具有重要意义。比如，在基于乳液液滴界面上或液相内的交联反应或自组装过程制备功能微颗粒的过程中，通过调控反应物的跨界面传质过程及反应过程，可以分别制得具有实心结构和不同厚度囊壁的中空结构微颗粒[23-26]。由此可见，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，揭示液滴界面介尺度结构与乳液动力学行为、界面传质与反应之间的耦合作用机制及其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微颗粒材料创新制备具有重要意义[27-29]。

本文主要综述了近年来微流控乳液模板法构建功能微颗粒材料过程中介尺度结构定向调控的研究新进展。首先重点介绍了在微流控技术可控制备乳液液滴模板的过程中，液滴界面上两亲分子聚集态介尺度结构的调控与乳液液滴的运动、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，以及由此导致的对乳液液滴形貌、结构和组成的影响及其调控规律。然后，着重介绍了在以乳液液滴为模板制备微颗粒功能材料的过程中，界面传质、反应，以及两者耦合对所制得的微颗粒功能材料介尺度结构的定向调控，以期为微流控乳液模板法可控构建新型微颗粒材料的反应过程强化和定向调控提供科学基础和指导。

可控制备具有多样化组成、形貌和结构的乳液液滴模板对于设计和构建新型功能微颗粒材料至关重要。通常来说，乳液液滴主要由互不相溶的两个或多个液相构成，液相间的相界面上分布排列有两亲性的表面活性剂分子，从而使得乳液体系的界面能降低，有利于获得更加稳定的乳液液滴[30]。微流控技术能够精确独立地操控多个液相在微通道中的流动和分散，从而可控构建多样化的多相乳液体系。通常来说，微流控技术可控构建多样化乳液液滴体系主要依靠不同液相之间的剪切作用来使液液界面形变并促进其不稳定性的自然增长，从而使得液相断裂形成乳液液滴。当前，研究者已开发出了多种具有不同微通道结构的微流控装置来操控不同液相之间的流动和剪切过程，其主要包括T型、共流动型、流动聚焦型以及交叉流动型等[31]。而通过将上述微通道结构进行串联或者并联组装结合，则可以灵活地组合多相流体之间的剪切过程，从而制备得到具有液滴嵌套液滴结构的复杂乳液液滴体系。此外，通过外加电场、温度场、磁场、超声或机械振动来影响界面不稳定性，亦可促进液相的断裂和乳液液滴的形成[32]。基于上述微流控方法构建的多相乳液液滴，通过调控液相界面能量、施加外场刺激等来调控液滴界面上两亲性的表面活性剂分子或纳米颗粒的聚集态介尺度结构，可以动态调节乳液液滴的相际运动、吞并、融合、结构演变等行为，从而进一步实现对乳液液滴形貌、结构和组成的灵活调控。

乳液液滴在互不相溶的两个连续相中的自发跨界面运动迁移过程为液滴界面组成和相内组成的调控提供了灵活的策略。Deng等[21]提出了一种通过调控界面能量来介导乳液液滴跨界面运动，并调控液滴界面上表面活性剂分子聚集态介尺度结构的新方法。该方法主要通过微流控技术在微通道中构建互不相溶的并行流动两相液流，并在其中一相液流中分散乳液液滴；然后，利用三相体系处于非最低能量状态的特点，诱导分散相液滴由一个连续液相向另一个连续液相的跨界面运动迁移。如图1(a)所示，当两个不相溶的液相A和C在微通道中平行流动时，若液相C中存在随之运动的液滴B，则该体系存在三个界面张力γBC、γAB和γAC。当A、B、C三相之间的界面张力存在γBC-(γAB+γAC)>0的关系时，意味着液滴B更倾向于处于液相A中，以使得该三相体系的界面能量最低。因而，在该趋势驱使下，液滴B将跨越界面由液相C转移到液相A中。同时，由于微通道中液相流动处于层流状态，其流场分布在微通道中间位置呈现出最大流速，有利于液滴B迁移至液相A和C的界面处与之接触，从而促进液滴B的跨界面运动。该界面能量介导的液滴跨界面运动过程为液滴的界面组成和相内组成的灵活调控提供了新策略。如图1（b）所示，在界面能量趋于最小的趋势介导下，水相液滴W1将自发由油相O1跨界面运动到水相W2中，同时液滴原有相界面上的两亲分子聚集态介尺度结构发生变化以使其新的相界面达到稳定，从而实现了对于液滴界面组成的调控。此外，通过在跨越后的连续液相中加入能溶于液滴相的功能物质，还能借助该功能物质在浓度梯度下的跨界面传质过程，实现对于液滴相内组成的调控[21]。

不同组分液滴之间的融合行为可实现对液滴组分的灵活调控。通常来说，通过施加外力作用以及光、热刺激等方式来调控液滴界面上两亲分子或纳米颗粒的聚集态介尺度结构，可以有效地调控液滴界面的稳定性，使得液滴失稳发生融合。基于微流控技术对多相液流的流动和分散行为的精确控制，以及微流控芯片多样化微通道结构及其与光、热等外场作用的灵活耦合，可在微通道中连续可控地实现液滴的融合过程，这对于液滴组分的灵活调控以及液滴内反应的可控触发具有重要意义。Sun等[17]通过温控调节液滴界面上纳米颗粒的聚集态介尺度结构，在微流控芯片中实现了连续流动的液滴对的可控快速融合。该方法主要采用了具有温敏体积相变特性的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶纳米颗粒作为液滴界面稳定剂。当环境温度低于PNIPAM纳米颗粒的体积相转变温度（VPTT，约32℃）时，PNIPAM纳米颗粒呈现出亲水性的溶胀状态；而当环境温度升高至其VPTT以上时，PNIPAM纳米颗粒转变为疏水性的收缩状态。利用该温敏体积相变特性，可通过控制液相温度来调控液滴界面上排布的PNIPAM纳米颗粒的聚集态介尺度结构，从而调节界面稳定性，实现液滴的温控触发可控融合。图2（a）、（b）为通过共聚焦显微镜对荧光PNIPAM纳米颗粒稳定的液滴进行逐层扫描并重构得到的液滴三维图像，可清晰看出液滴的表面被荧光PNIPAM纳米颗粒覆盖，从而使得液滴具有良好的界面稳定性。并且，当环境温度为25℃（低于PNIPAM纳米颗粒的VPTT）时，PNIPAM纳米颗粒呈现亲水性溶胀状态，其在界面吸附能作用下发生自组装，进而在液滴界面处形成了稳定的六边形排布结构。当温度由25℃升高至40℃时，液滴界面上的荧光PNIPAM纳米颗粒由亲水变为疏水状态且体积收缩变小，这使得荧光PNIPAM纳米颗粒在液滴界面上的聚集态介尺度结构发生改变，部分纳米颗粒之间甚至出现团聚。此时，原先被荧光PNIPAM纳米颗粒良好覆盖的部分液滴界面暴露出来，导致界面稳定性降低，使得相邻的液滴界面相互接触后发生液滴融合[图2（c）]。基于上述特点，利用微流控芯片在上游产生经PNIPAM纳米颗粒稳定的均一乳液液滴，再在下游利用可加热的扩大腔室结构使得相邻的两个不同液滴相互接触，则可在流动状态下连续可控地实现相邻液滴的一一配对并由温度触发其快速融合。除了通过施加热、光等外场作用来破坏液滴界面稳定性外，通过在微通道内构建特殊微结构与液滴界面进行作用，亦可以使得液滴失稳从而实现液滴融合[18, 33]。Deng等[18]通过在微流控芯片中构建金属微针结构与液滴界面作用，以改变液滴界面上表面活性剂分子的聚集态介尺度结构使得液滴失稳，从而实现了液滴的连续可控融合[图2（d）]。在该微流控芯片的T型微通道交汇处，构建了经表面改性的金属微针作为“微手术刀”。通过调控协同微通道上游两种不同组分液滴的产生频率，使得两个不同组分的液滴同时流经该金属微针。此时，金属微针同时与液滴相发生浸润作用，改变了液滴界面上原有表面活性剂分子的介尺度结构，使得液滴界面稳定性降低；同时，浸润在金属微针上的两个液滴以该微针为媒介，发生相互融合，并在脱离该微针时重新融合形成一个液滴[图2（e）]。基于该方法，通过调控流速等来改变两个液滴的尺寸，可对液滴中不同组分的配比进行调控，从而实现对于融合后的液滴内部组分更加精确和灵活的调控。此外，通过微流控技术在上游可控构建具有液滴包裹液滴结构的双重乳液液滴，还可以使得单乳液滴与双重乳液液滴在微针介导下发生连续可控融合，从而实现对双重乳液外层液滴组分的灵活调控[图2（f）]。

在微流控法制备乳液液滴模板的过程中，通常可通过设计微通道乳化结构、液相乳化次序以及调控微通道尺寸和液相流速等，对所制得的乳液液滴的形貌结构进行灵活的调控。而通过利用界面能量诱导的液滴界面上两亲表面活性剂分子的聚集态介尺度结构变化，则可为乳液液滴形貌结构的调控提供一种新的策略。Deng等[19-20]通过利用界面能量诱导液滴浸润和液滴界面上两亲表面活性剂分子的介尺度结构变化，使得简单的乳液液滴间选择性地进行吞并，从而可控得到了形貌结构更为复杂的多重乳液液滴。该方法亦是利用了多相体系在非最低能量状态下向最低能量状态演变的趋势，来诱导液滴间的选择性浸润吞并行为[34-35]。如图3（a）、（b）所示，对于液滴A和液滴B分散于连续相C中的三相体系来说[图3(a)ⅰ、ⅱ]，当三相之间界面张力的关系满足SA=γBC-(γAB+γAC)>0时，液滴A将浸润于液滴B上将其吞并，从而形成B/A/C型双重乳液液滴[图3（a）ⅲ]；而当三相之间界面张力的关系满足SB=γAC-(γAB+γBC)>0时，液滴A将被液滴B浸润和吞并，从而形成A/B/C型双重乳液液滴[图3(a)ⅳ]。同时，通过对进行选择性吞并的液滴的尺寸和数目进行调控，还可以对吞并后形成的双重乳液的内、外液滴尺寸，以及对双重乳液内部液滴的数目等进行精确调控。此外，通过调控单乳液滴与双重乳液液滴之间的选择性吞并行为，还可进一步制得结构更为复杂的多核双重乳液[图3（c）]和三重乳液[图3（d）]，实现了对于乳液液滴形貌和结构的灵活调控。除了形成球形的乳液液滴外，通过界面能量诱导双重乳液液相界面上的表面活性剂分子介尺度结构发生变化，还可使得该液滴进一步演化为非球形结构乳液液滴。Wang等[22]利用界面黏附能量（ΔF）诱导W/O/W型双重乳液的内、外两个液滴界面上排布的表面活性剂分子发生黏附组装，以诱导双重乳液结构发生演化，从而得到了具有橡子型非球形结构的双重乳液[图3（e）]。在该双重乳液三相体系中，其内、外两个W/O界面上排列的表面活性剂分子在黏附能诱导下其聚集态介尺度结构将发生改变，将倾向于聚集组装为表面活性剂双分子层，从而使得内部水滴从双重乳液液滴中突出出来。该黏附能取决于该双重乳液内、外O/W界面张力（γIM、γMO）和表面活性剂双分子层所对应的张力（γFilm），即ΔF = γIM + γMO-γFilm；因此，通过改变液相组分来调控三相界面张力来调节ΔF，可以对双重乳液演化后的形貌结构进行灵活调控，使其由球形的核壳型结构逐渐演变为非球形的橡子型结构[图3（e）]。上述工作为乳液液滴模板形貌结构的灵活调控提供了新的策略。

微流控技术可控构建的乳液液滴为合成功能微颗粒材料提供了多样化的模板。在乳液液滴转化为功能微颗粒的过程中，界面传质与反应对实现功能微颗粒材料介尺度结构的定向调控具有重要作用[36-38]。例如，在乳液液滴模板中，利用聚阳离子和聚阴离子在静电力诱导下的自组装过程或者高分子与交联剂分子的交联反应过程等，可以构建多样化的功能微颗粒。在上述制备微颗粒的过程中，通常涉及一个反应物组分（如聚阳离子、聚阴离子或交联剂分子）的跨界面传质过程；通过对该传质过程进行调节，可以调节其自组装或交联反应过程，从而实现对微颗粒材料结构和功能的定向调控[23-26]。此外，除了反应物分子的跨界面传质过程外，液相溶剂分子的跨界面传质过程亦会对乳液液滴内两亲性表面活性剂分子的聚集态介尺度结构产生影响，从而实现对所制得的功能微颗粒的结构和功能的定向调控[39-42]。

通过对聚电解质高分子在乳液体系中跨界面传质方向的调控，可以控制聚电解质高分子在乳液体系中发生自组装过程的位置（如乳液液滴内或液滴界面上），从而制得相应的实心或中空微颗粒。Ma等[23]以W/W型双水相乳液液滴作为模板，通过调节体系pH来调控聚电解质高分子聚丙烯胺盐酸盐（PAH）和聚苯乙烯磺酸钠（PSS）在不同水相之间的分配系数，实现了不同聚电解质在相内与相间的定向传质分配。当以含PSS的葡聚糖水溶液和含PAH的聚乙二醇水溶液分别为分散相和连续相制备W/W型双水相乳液液滴时，由于PSS更倾向于分配于葡聚糖水溶液中，此时将仅有PAH由连续水相传递至水滴内部，从而使得PAH与PSS发生自组装，以形成实心的聚电解质水凝胶微颗粒[图4（a）]。而通过改变溶液相使得PAH和PSS均发生跨界面传质时，两者将在液滴界面上发生自组装，从而形成中空的聚电解质水凝胶微颗粒[图4（b）]。类似地，基于该原理，通过将聚阳离子PAH替换为表面带电荷的亲水性金纳米颗粒，并调控体系内pH，可诱导金纳米颗粒与聚阴离子PSS发生自组装，从而实现纳米颗粒-聚电解质复合聚集体微颗粒的可控制备[图4（c）~（e）][37]。

此外，通过调控跨界面传质过程的速度和时间，可以控制高分子与交联剂之间的反应程度和时间，从而实现对所制得的实心或中空微颗粒的结构调控。Mu等[25]利用乳液液滴模板在界面交联过程中的传质-反应耦合调控，一步制备得到了尺寸和壳层厚度精准可控的单分散中空壳聚糖微颗粒。该方法首先利用同轴毛细管微流控装置，以壳聚糖的水溶液为分散相、含有表面活性剂PGPR90和交联剂对苯二甲醛的油相溶液为连续相，制备得到了单分散W/O型单乳液滴。在该乳液体系中，由于小分子交联剂对苯二甲醛微溶于水，因此交联剂将在浓度驱动下从连续相通过跨界面传质向乳液液滴内部扩散，在界面处水相一侧与乳液液滴模板中的壳聚糖分子发生由外向内的交联反应以形成壳聚糖囊膜，从而制得中空壳聚糖微颗粒[图5（a）]。利用具有捕获井微结构阵列的聚二甲基硅氧烷微流控芯片截留固定单乳液滴，实时观测了单乳液滴界面的传质和交联反应过程，探究了该液滴界面交联过程中的传质-反应耦合调控机制，实现了对所制备的中空壳聚糖微颗粒的尺寸和结构的灵活调控。研究中通过调节交联时间、交联剂浓度等因素来调控液滴模板制备微颗粒过程中的界面传质-反应过程，制得了尺寸和囊壁厚度精确可控的中空壳聚糖微颗粒[图5（b）~（d）]。类似地，Mu等[26]利用微流控技术制得的均一O/W型乳液液滴作为模板，通过调控液滴界面上交联剂分子的跨界面传质过程以及交联反应，制备得到了具有纳米级超薄囊壁的中空壳聚糖微颗粒，实现了对茶树精油的高效封装和控制释放。

通过O/W型乳液液滴体系中油/水两相间的跨界面传质过程，可以利用乳液液滴内部存在的两亲性表面活性剂分子构建纳米级水滴，并调控乳液液滴相内两亲性表面活性剂分子的聚集态介尺度结构，从而实现具有可控多孔结构的功能微颗粒材料的模板制备。Chen等[41]以含有光敏树脂单体、Fe3O4@Ag纳米颗粒、ZIF-8@ZnO纳米颗粒以及过量表面活性剂分子PGPR90的油相作为分散相，含有表面活性剂F127的水相作为连续相，由微流控技术制得了均一的O/W型乳液液滴。在该乳液液滴体系中，连续相中的水分子在过量表面活性剂分子的增溶作用下，由水相经跨界面传质过程向油相液滴内进行扩散；此时，油相液滴内的表面活性剂分子自组装在扩散的水滴表面，从而在油相液滴内形成了稳定的纳米级水滴，以作为构建微颗粒内多孔结构的模板。同时，油相液滴中的Fe3O4@Ag纳米颗粒在外加磁场作用下沉积至液滴底部，而ZIF-8@ZnO纳米颗粒则在界面能量趋势下迁移至液滴表面。以该演化后的乳液液滴作为模板，由光照引发聚合则可一步便捷地制得具有多孔结构的气泡驱动型功能微颗粒[图6（a）~（d）]。该微颗粒底部镶嵌的Fe3O4@Ag纳米颗粒可作为纳米引擎，通过非对称地在微颗粒一侧分解H2O2产生气泡、推动微颗粒运动，并且有助于微颗粒在磁场作用下的有效回收。而微颗粒的多孔结构则可提供大比表面积，有利于Fe3O4@Ag纳米颗粒在微颗粒底部的结合以及Fe3O4@Ag纳米颗粒与H2O2的接触，进一步促进气泡的产生，同时减轻微颗粒的质量，促进其在气泡推进下的运动。微颗粒表面修饰的ZIF-8@ZnO纳米颗粒具有良好的光催化特性，可通过吸附作用使污染物分子富集，同时对富集的污染物分子进行有效光催化降解。该微颗粒可在存在H2O2和UV照射的情况下，有效耦合ZIF-8@ZnO的光催化降解以及H2O2/UV体系的高级氧化过程，并借助微颗粒气泡推进运动的有效混合传质强化，来实现对水中有机污染物的高效降解[图6（e）]。

在此基础上，通过均质乳化或者微流控技术在油相液滴内部再引入微米级的水相液滴作为致孔模板，还可以进一步制备得到具有分级式多孔结构的功能微颗粒[38-40, 42]。Zhang等[39]首先利用微流控技术在油相液滴中可控地引入微米级的水相液滴以制得W/O/W型双重乳液，再利用油水相间跨界面传质过程诱导该双重乳液的演化和双重乳液内部纳米级水滴的形成，从而制得了具有高度连通的微米级孔和纳米级孔的分级式多孔结构非球形微颗粒[图7（a）]。在此过程中，油滴内部的微米级水滴和纳米级水滴分别作为致孔模板以构建微颗粒的微米级孔结构和纳米级孔结构；而双重乳液的油相液滴经跨界面传质导致其体积缩小后，则会根据双重乳液内部不同数目的微米级水滴的堆积结构来形成相应的非球形液滴模板。以该乳液液滴模板制备的高度连通分级式多孔微颗粒的微米级孔及纳米级孔的尺寸、孔隙率、功能性和微颗粒形状均可灵活调控。该微颗粒巧妙结合了微米级孔的快速传质和纳米级孔的大功能比表面积等优点，在油滴吸附和蛋白质吸附方面展现出了比仅具有纳米级孔的微颗粒更好的性能。类似地，Su等[40]以含有两个不同组分内部水滴和Fe3O4@Ag纳米颗粒的（W1+W2）/O/W1型双重乳液为初始模板，通过跨界面传质过程在双重乳液内构建纳米级水滴，同时由外加磁场诱导Fe3O4@Ag纳米颗粒沉积，从而以该演化后的乳液液滴为模板制得了具有分级式多孔结构的气泡驱动型功能微颗粒[图7（b）]。该微颗粒有效耦合了分级式多孔结构的快速传质和大比表面积，以及气泡驱动运动过程的传质强化，可实现对水中重金属离子Pb2+的高效吸附。此外，Su等[40]通过在双重乳液内引入具有催化活性的MIL-88A纳米颗粒和均质乳化制备的微米级水滴，并结合油水相间跨界面传质过程诱导该乳液内纳米级水滴的形成，可控制得了结合有MIL-88A纳米颗粒的分级式多孔结构微颗粒[图7（c）]。由于在界面能驱使下MIL-88A纳米颗粒倾向于向界面处迁移并使之稳定，因此，该乳液内部的微米级和纳米级水滴可提供足够的O/W界面用于调控MIL-88A纳米颗粒在界面上的聚集态介尺度结构，以使得MIL-88A纳米颗粒大多暴露在孔表面，有利于纳米颗粒与水中污染物分子的接触。基于其独特的微纳复合结构，该微颗粒可通过非均相类芬顿反应有效降解水中有机污染物分子（如罗丹明B等）。

本文主要综述了近年来微流控乳液模板法构建功能微颗粒材料过程中介尺度结构定向调控的研究新进展。其中，重点介绍了两方面的内容：（1）乳液液滴模板的介尺度结构调控，主要介绍微流控法可控制备乳液液滴模板的过程中，液滴界面两亲分子聚集态介尺度结构的调控与乳液液滴的运动、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，以及其对乳液液滴形貌、结构和组成的调控规律；（2）功能微颗粒材料的介尺度结构定向调控，主要介绍乳液液滴模板制备微颗粒功能材料的过程中，界面传质、反应，以及两者耦合对微颗粒功能材料介尺度结构的定向调控。相关研究工作将为具有新结构和新功能的先进微颗粒材料的高效制备与性能强化提供理论基础与指导。