《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(shí)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(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)了五個(gè)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��,，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。

1

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(gè)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(gè)平行流道的單乳液生成裝置和雙重乳液生成裝置

2

微流控芯片的評價(jià)
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(gè)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(gè)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(jià)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(gè)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(gè)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(dòng)聚焦原理,。本論文基于流動(dòng)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(dòng)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),。