《Journal of Food Engineering》：利用微納微尺度3D打印技術(shù)制備微流控液滴生成芯片

來源： PuSL摩方高精密3D打印

許多食品(烘焙食品、乳劑、冷凍產(chǎn)品等)是含有多種成分的分散體系，其中乳液是最常見的。傳統(tǒng)的乳液制備通常需要高速均質(zhì)、高壓均質(zhì)等方法。這些常用方法制備的乳液其大小、形狀和分布是不可控的，存在多分散液滴。然而，微流控技術(shù)可精確控制多相流，以形成具有所需直徑的單分散液滴。它在許多行業(yè)都有潛在的應(yīng)用，包括食品、制藥、化妝品和生物材料等行業(yè)。但其液滴生成效率低，不能滿足工業(yè)化的要求。此外，傳統(tǒng)方法不能很好的實(shí)現(xiàn)多重乳液的制備，而微流控技術(shù)可以較好的實(shí)現(xiàn)多重乳液的生成，但實(shí)驗(yàn)時需用有機(jī)試劑對微流控芯片（玻璃毛細(xì)管，PDMS）進(jìn)行局部表面處理。

近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院蔣卓副教授課題組基于微立體光刻3D打印技術(shù)（深圳摩方材料科技有限公司nanoArch® P140）,利用光敏樹脂材料實(shí)現(xiàn)微流控芯片的制備。此工作利用一種新技術(shù)制造了單乳液和雙乳液的微流控生成芯片。這些芯片采用微納微尺度3D打印技術(shù)制作，實(shí)現(xiàn)宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合，可以同時滿足不同乳液類型的制備和生成，清洗后可多次重復(fù)使用。同時實(shí)現(xiàn)了五個平行通道的單乳液生成，為高通量微流控技術(shù)的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)�；�于此，該微流控芯片成功實(shí)現(xiàn)了W/O/W（水/油/水）和O/W/O（油/水/油）雙重乳液的制備。此外，由于制備芯片所使用的樹脂材料對油和水都具有良好的潤濕性，因此不需要使用有機(jī)試劑對芯片進(jìn)行局部改性。該工作以“Microfluidicdroplet formation in co-flow devices fabricated by micro 3D printing”為題發(fā)表在Journal of FoodEngineering上，第一作者是華南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士生張佳。

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微流控芯片的設(shè)計(jì)及3D打印制得的裝置
基于Co-flow原理，通過3D打印技術(shù)，制備了單乳液生成芯片（圖1），五個平行流道的單乳液生成芯片以及雙重乳液生成芯片（圖2）。

圖1 單乳液生成裝置

圖2 五個平行流道的單乳液生成裝置和雙重乳液生成裝置

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微流控芯片的評價
為了驗(yàn)證和評估該裝置的可用性，我們選取不同的乳液配方進(jìn)行試驗(yàn)。選取不同的油包水和水包油乳液，對乳液生成過程進(jìn)行記錄，并對收集后的乳液進(jìn)行分析（圖3）。收集到的油包水乳液單分散性較好，其CV為2.7%。同一裝置上實(shí)現(xiàn)了水包油乳液的生成，所得液滴的CV僅為2.2%。

圖3 單乳液生成裝置用于油包水（a、b）和水包油（c、d）乳液的生成及其分散性

利用五個平行流道的單乳液生成裝置進(jìn)行試驗(yàn)，可以在同一裝置上實(shí)現(xiàn)油包水和水包油兩種不同類型乳液的生成（圖4），所得油包水液滴的CV為2.6%，水包油液滴的CV為3.1%。本研究使用的微流控芯片制作簡單，集成度高，可重復(fù)使用。但其生產(chǎn)效率和液滴直徑仍需進(jìn)一步提高，這也是我們后續(xù)研究的重點(diǎn)。

圖4 五個平行流道的單乳液生成裝置用于油包水（b、c）和水包油（d、e）乳液的生成及其液滴的分散性

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們進(jìn)行了雙重乳液的生成。在實(shí)驗(yàn)中，通過改變內(nèi)相、中間相和外相的速度可以調(diào)節(jié)液滴的尺寸和核殼比例。圖5展示了不同流量下W/O/W雙乳狀液的形成過程和收集的液滴，可以看到明顯的核-殼層。對于O/W/O雙乳狀液的形成(圖6)，實(shí)驗(yàn)過程中可以清楚地看到乳狀液的形成過程，但收集后的乳液穩(wěn)定性極差，不能觀察到均勻分散的雙乳狀液滴，嘗試了多種O/W/O乳液配方，暫未得到可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 采用雙乳液生成裝置在不同流速下生成和收集W/O/W雙重乳液

圖6 采用雙乳液生成裝置生成O/W/O雙重乳液

目前，對于3D打印微流控芯片的性能評價還處于實(shí)驗(yàn)室階段，所使用的乳液配方是在現(xiàn)有參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改的。為了進(jìn)一步促進(jìn)微流體在食品工業(yè)中商業(yè)化，需要進(jìn)一步開發(fā)相關(guān)的乳液配方。此外，微流體的一些問題需要解決，如高通量，穩(wěn)定性，生物相容性等。

參與該工作的合作者有華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院的碩士生徐文華，工程學(xué)院的徐鳳英教授，無限極（中國）有限公司的魯旺旺、張晨，深圳摩方材料科技有限公司的周建林等。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.110212
（以上相關(guān)介紹內(nèi)容由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)蔣卓副教授提供）

上述研究工作涉及的微尺度3D打印技術(shù)由深圳摩方材料科技有限公司提供，因此摩方公司就這一創(chuàng)新型成果對蔣卓副教授進(jìn)行了更進(jìn)一步的訪談，以下為部分內(nèi)容：


BMF：請問目前您與BMF的合作進(jìn)展情況如何？
蔣教授：2018年6月前后開始與BMF的合作，最開始了解摩方所做的微尺度3D打印技術(shù)之后，有通過3D技術(shù)打印微流控芯片的想法，畫出設(shè)計(jì)圖之后，與工程師溝通交流后，進(jìn)行了裝置打印，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其可以實(shí)現(xiàn)液滴的生成，且可以看到液滴的生成過程。通過設(shè)計(jì)圖的不斷修改以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終完成了單乳液生成裝置，五個平行流道的單乳液生成裝置，以及雙乳液生成裝置的設(shè)計(jì)制造。

BMF：能否概括總結(jié)液滴反應(yīng)器這個案例，以及BMF高精密3D打印在其中發(fā)揮的作用？
蔣教授：目前進(jìn)行微流控芯片的研發(fā)，大多是在PDMS上進(jìn)行，基于T-連接和流動聚焦原理。本論文基于流動聚焦原理進(jìn)行了微流控芯片的開發(fā)設(shè)計(jì)，具有流動阻力小的優(yōu)點(diǎn)，前期了解到微尺度3D打印技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)微米級或亞微米級通道的制造，因而進(jìn)行了相關(guān)芯片設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)3D打印過程中所使用的光敏樹脂具有良好的特性，能較清晰的記錄液滴生成過程，且材料具有兩親性，能夠在同一裝置上實(shí)現(xiàn)兩種不同類型乳液的生成。在此基礎(chǔ)上，無需對裝置進(jìn)行表面改性就能實(shí)現(xiàn)雙重乳液的生成。此外，采用3D打印，可以制備具有復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)的芯片。這些為微流控在食品、化妝品及保健品乳液的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了另外一種可行的選擇。

BMF高精密3D打印是我們這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，正是由于BMF幫助我們把芯片設(shè)計(jì)圖變成實(shí)物，才能開展后續(xù)的實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)這么多有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也為我們后續(xù)的研究奠定了一定的研究基礎(chǔ)。