2結(jié)果與討論

2.1同軸微流控器件的設(shè)計(jì)和水/水微囊的制備

為了實(shí)現(xiàn)一步法制備大小均勻、尺寸可控、壁厚可調(diào)、生物相容的水/水微囊，需要設(shè)計(jì)同軸微流控器件，如圖1（A）所示。內(nèi)相黃原膠水溶液由內(nèi)管注入微流控器件；外相海藻酸鈉水溶液，由外管注入微流控器件。內(nèi)相在外相的剪切下形成液滴，同時(shí)外相在重力作用下脫離管口生成水包水的水/水微囊，并進(jìn)一步通過鈣離子交聯(lián)海藻酸鈉水凝膠網(wǎng)絡(luò)，如圖1（B）所示。由于微流控器件對內(nèi)外相的精準(zhǔn)調(diào)控，水/水微囊在光學(xué)顯微鏡下具有清晰穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu)圖1（C），平均尺寸（D）為（2.83±0.09）mm圖1（D）。該方法制備水/水微囊具有器件結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、一步法成型、微囊尺寸均一可控、核殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無需后處理等優(yōu)點(diǎn)圖1（E）。

2.2微流控器件結(jié)構(gòu)對水/水微囊成型過程的影響

為了深入研究微流控器件結(jié)構(gòu)對水/水微囊成型過程的影響規(guī)律，分別制備了內(nèi)管管口內(nèi)縮、內(nèi)外管管口平齊、內(nèi)管管口伸出、內(nèi)管管口內(nèi)縮外管管口不拉伸等4種同軸微流控器件，并通過系統(tǒng)改變內(nèi)相和外相流速，判斷水/水微囊的成型情況，最終確定水/水微囊的制備相圖，分別如圖2（A）——（D）所示。水/水微囊形成的關(guān)鍵是內(nèi)相在外相的剪切下形成液滴，同時(shí)外相在重力作用下脫離管口生成水/水微囊。由于內(nèi)外相均是水溶液，內(nèi)相/外相界面張力較小，并且流體黏度較大，內(nèi)相不容易在外相的剪切下形成液滴，進(jìn)而被外相包裹形成水/水微囊，因此外相流速增大，對內(nèi)相剪切加強(qiáng)，更易形成水/水微囊。

此外，內(nèi)管管口內(nèi)縮和外管管口拉伸，有利于外相在外管管口處通過流動聚焦剪切內(nèi)相，因此內(nèi)管管口內(nèi)縮和外管管口拉伸的同軸微流控器件制備水/水微囊內(nèi)核居中，壁厚均勻，且具有較好的穩(wěn)定性和較大的制備區(qū)間。當(dāng)外管管口不拉伸時(shí)，外相對內(nèi)相的剪切作用減弱，其水/水微囊的制備區(qū)間變窄，且在較大流速區(qū)間內(nèi)，只能得到變形的水/水微囊，如圖2（D）所示。通過實(shí)驗(yàn)觀察，若無特別說明，后續(xù)均采用內(nèi)管管口內(nèi)縮和外管管口拉伸的同軸微流控器件制備水/水微囊。

2.3內(nèi)相/外相流速對水/水微囊直徑和壁厚的影響

微流控技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于對內(nèi)相/外相流速及其乳化過程的精準(zhǔn)控制。因此可以調(diào)節(jié)內(nèi)相/外相的流速，研究其對水/水微囊直徑和壁厚的影響，如圖3（A）和（B）所示。當(dāng)內(nèi)相流速為40 mL/h，外相流速為20 mL/h時(shí)，水/水微囊的直徑和壁厚分別為2.92和0.06 mm，尺寸偏差小于5%，裝載率（水核體積/微囊體積）高達(dá)87%.由于水/水微囊直徑的大小主要取決于微囊從微流控器件管口脫落的過程，與外相/空氣界面張力和內(nèi)外相重力的共同作用有關(guān)，界面張力使微囊懸掛在管口，重力使微囊脫離管口，可以用邦德數(shù)Bo（重力/界面張力）描述。由于界面張力和重力均與內(nèi)相/外相流速無關(guān)，水/水微囊的直徑基本不隨內(nèi)相/外相流速變化。在水/水微囊直徑不變的情況下，其壁厚的大小主要取決于內(nèi)相與外相的比例。因此內(nèi)相流速增加或外相流速減小，都將造成水/水微囊壁厚減小。

2.4水/水微囊形成過程的數(shù)值模擬

在微流控器件中，水/水微囊的形成受內(nèi)相/外相流速、黏度、界面張力等因素影響。為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過參照實(shí)驗(yàn)流體物性參數(shù)，對水/水微囊形成過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖4（A）所示。隨著懸掛在管口處的液滴不斷長大，重力逐漸增大，最終克服界面張力，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，液滴脫離管口，形成水/水微囊。

數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，數(shù)值模擬內(nèi)相/外相流速對水/水微囊直徑和壁厚的影響，得出了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致的規(guī)律，即水/水微囊的直徑基本不隨內(nèi)相/外相流速的變化而變化，而水/水微囊壁厚隨內(nèi)相流速增加或外相流速減小都將減小，如圖4（B）和（C）所示。與實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)值模擬可以更系統(tǒng)地調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，如外相/空氣界面張力、內(nèi)相/外相界面張力對微囊直徑和壁厚的影響。隨著外相/空氣界面張力的增加，水/水微囊直徑成比例增加，這是由于外相/空氣界面張力使微囊懸掛在管口，重力使微囊脫離管口，當(dāng)外相/空氣界面張力增加，需要的重力相應(yīng)增加，造成水/水微囊直徑增加。當(dāng)內(nèi)相/外相界面張力增大時(shí)，水/水微囊直徑略有增加。

數(shù)值模擬還研究了內(nèi)相黃原膠水溶液濃度和外相海藻酸鈉水溶液濃度對水/水微囊直徑和壁厚的影響規(guī)律，如圖4（F）和（G）所示。內(nèi)相黃原膠水溶液屬于剪切變稀非牛頓流體，其黏度隨剪切速率的增大而減小，因此不同濃度的黃原膠水溶液具有相似的剪切變稀流變曲線，對水/水微囊直徑和壁厚的影響較小。外相海藻酸鈉水溶液也是一種非牛頓流體，其黏度隨濃度增大而增大。當(dāng)海藻酸鈉溶度增加時(shí)，包裹內(nèi)相難度增大，水/水微囊的生成開始伴隨內(nèi)相衛(wèi)星液滴的出現(xiàn)，造成微囊壁厚增加。