使用传统的液滴形成流体结很难生成复杂的乳状液滴来制造高度分隔的微观结构。这些流体结的几何形状简单，会导致流速控制的范围很窄。为了解决这个问题，一个研究团队设计了一种具有更复杂几何形状的振荡微流体结。这种被称为蝙蝠翼结的流体结，可以持续地产生均匀且复杂的双核乳液滴，这些液滴中包含定制的成分和封装的试剂。
用一种新型流体结改善液滴微流场
液滴微流场技术能够形成大量均匀、可控和独立的小液滴。该场对于持续生成多乳液滴特别有用。多核乳液滴可用于生成具有特定排列的类似细胞内部结构的微尺度颗粒，从而在不同的生物工程学科中实现程序化的化学相互作用。
通常，通过在基于微毛细管或基于片上实验室微流体装置内使用一系列液滴形成结来生成多核乳液。尽管它们在液滴微流体中很重要，但传统的液滴形成结往往具有简单的几何形状。这些几何形状会导致一些问题，包括：
- 顺序乳化机制中的流速控制范围较窄
- 空间上限制流体界面相互作用的能力有限
- 从液滴尺寸的均匀性以及成分和试剂的封装来看，有可能出现液滴的多分散性
双乳液滴。图片来源：Catrin Sohrabi自己的作品。根据 CC BY-SA 4.0 许可，通过Wikimedia Commons共享资源。
为了避免液滴形成的问题，工程师们期望设计出具有更好的流速控制的结，用于将液滴形态保持在指定的狭窄范围内，从而使液滴的形成更加精确和可区分。
来自卡迪夫大学(Cardiff University)工程学院应用微流体实验室的一个研究团队，设计了一种分为两部分的微流体几何结构来解决这些问题。他们的微流体结被称为蝙蝠翼结，通过利用分步乳化机制和精确的流动截面，持续形成复杂和高度均匀的双乳液滴。
蝙蝠翼结的几何形状比传统的液滴形成结更加复杂。它由两个十字形的交叉点组成，交叉点通过一个膨胀区连接，并并排排列。这两个交叉点共享一个带有分叉的侧面入口，并在一个膨胀出口处结束。在液滴的形成过程中，这个交界处的分叉结构使侧边的流动振荡。由于对输送的空间限制，以及通过影响流体的相互作用，结的结构影响液滴的形成过程。
蝙蝠翼交叉处的特写图。图片由 Jin Li 提供。
该液滴形成过程的第一步是产生第一种乳液，形成内部液滴，也称为核。接着，蝙蝠翼结精确地分割第一种乳液，形成均匀的双乳液滴，并将核包裹起来。这些液滴最终呈现出球形，在球上，核获得了特定的三维排列(取决于特定的乳液形态)。这些液滴可被用作模板，来产生高度分隔的微胶囊和多体。
通过仿真和实验分析新的蝙蝠翼结
研究团队使用 COMSOL Multiphysics®软件的附加产品——微流体模块来研究蝠翼交界处的液滴形成过程。通过使用该模块，他们能够通过绘制几何中位面上的等值面、体积、速度大小和压力分布来可视化液滴破裂的过程。
实验和仿真结果都显示了蝙蝠翼结受到三种液滴形成机制的影响：滴落、挤压和喷射。参与这项研究的研究人员之一 Jin Li 指出，他们的研究有一个重要发现。具体来说，他们发现 “当蝙蝠翼结在挤压状态下工作时，能够被动的清除卫星液滴。这可以提供一个更加单分散性的输出，而不需要再进一步过滤掉副产品(卫星液滴)”。
仿真结果也让我们看到了蝙蝠翼交界处分叉侧通道的流动振荡现象。结果显示，在液滴形成过程中，从上游和下游分叉处流向膨胀区的连续相体积变化很大，这导致了不同的流动模式。结果表明，有可能通过调整连续相的流入率来控制液滴的破裂点和大小，精确地生成可定义长度的分散相段。
摆动的蝙蝠翼结在运行。动画由 Jin Li 提供。
研究人员通过研究两步乳化法中两类液滴的形成，进一步了解连续相流入率如何影响液滴的形成：
- 均匀的单分散核壳形液滴
- 分隔的双乳液滴
第一次调查结果显示，调整连续相的流入率可以使蝙蝠翼结精确地分割出各种体积比的均匀液滴。此外，使用不同的流入率组合可以使蝙蝠翼结形成高度可复制的液滴。至于分隔的双乳液滴，研究表明，改变连续相流速也有助于精确调整双乳液滴内的核数量。
蝙蝠翼交界处的液滴形成。在这里，多个核被封装在双乳液滴中。图片来源：Jin Li。
接着，该团队希望通过研究在单一壳相基质内封装不同类型核的双乳液滴来了解更多关于液滴核的信息。为此，研究人员使用了一个具有两个T型结的系统，以创造两个独立和重复的液滴组作为第一种乳液。这些液滴的模式由各种流入率组合控制。
为了形成双乳液滴，第一个乳液被精确地切下来，形成核，然后被封装起来。根据上文描述，核的数量取决于连续相的流速。当产生的双乳液段变成球形时，核就会重新排列成一个特定的三维形态。这种形态是由核的大小和数量以及它们在第一乳液中的顺序决定的。
通过实验和模拟，研究人员更好地了解了在蝙蝠翼交界处不同流入率下的液滴形成机制。研究表明，蝙蝠翼结可以形成均匀的双乳液滴，来包裹不同类型的核。
对高度分隔的微观结构进行多物理场分析
利用上述的双乳液滴作为模板，研究小组可以制造出具有不同功能的高度分隔的微结构，如微胶囊和多体。例如，由此产生的多核微胶囊可以允许多种试剂的释放，或针对外部刺激进行原位化学合成。
高度分隔的固体微胶囊，包含多个三维均匀的核。右图显示的是”集群核”，左图显示的是”环形核”。这些液滴是由蝙蝠翼结产生的双乳液滴形成的。图片来源：Jin Li。
该团队通过使用流体和化学仿真监测化学试剂的浓度变化，分析了这种高度分隔的结构内的顺序化学反应。通过这种方法，他们研究了一个包含活性试剂的 13 个核的气体可渗透微胶囊。由于核的几何排列，顺序连锁反应中的最后一个反应发生在中央的核。
他们还模拟了用于多核多体的相同的顺序化学反应，使用包含不同的试剂的四种类型的核。在这个模拟中，研究人员发现，双分子层的位置和核的排列会影响调节剂的扩散。当分子在多体内部扩散时，反应就发生了。
参与这项研究的另一位研究人员 Barrow 教授说，这些模拟结果表明，“胶囊内的成分结构可能对精确控制分子扩散、化学反应[和]生物路径发挥重要作用。”
蝙蝠翼结的未来应用
通过蝙蝠翼结液滴创建的微结构可用于生物技术和医学等领域的各种潜在的实际应用。
Li 和 Barrow 设想了蝙蝠翼结的未来用途。由于这些设备能够持续有效地产生均匀的复杂乳状液滴，这些结“可以在需要创造类似细胞状液滴的不同应用中被采用；例如，同时进行大量的平行生物/化学反应，以及为化学工程或合成生物学的研究输出准确和可重复的数据”。一些具体的用途包括药物输送、材料制造、靶向治疗和食品生产。
下一步，研究人员旨在通过对蝙蝠翼的设计进行进一步研究，来解决他们研究的局限性。
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