2結果與討論

2.1同軸微流控器件的設計和水/水微囊的制備

為了實現一步法制備大小均勻、尺寸可控、壁厚可調、生物相容的水/水微囊，需要設計同軸微流控器件，如圖1（A）所示。內相黃原膠水溶液由內管注入微流控器件；外相海藻酸鈉水溶液，由外管注入微流控器件。內相在外相的剪切下形成液滴，同時外相在重力作用下脫離管口生成水包水的水/水微囊，并進一步通過鈣離子交聯海藻酸鈉水凝膠網絡，如圖1（B）所示。由于微流控器件對內外相的精準調控，水/水微囊在光學顯微鏡下具有清晰穩定的核殼結構圖1（C），平均尺寸（D）為（2.83±0.09）mm圖1（D）。該方法制備水/水微囊具有器件結構簡單、操作便捷、一步法成型、微囊尺寸均一可控、核殼結構穩定、無需后處理等優點圖1（E）。

2.2微流控器件結構對水/水微囊成型過程的影響

為了深入研究微流控器件結構對水/水微囊成型過程的影響規律，分別制備了內管管口內縮、內外管管口平齊、內管管口伸出、內管管口內縮外管管口不拉伸等4種同軸微流控器件，并通過系統改變內相和外相流速，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/水微囊形成的關鍵是內相在外相的剪切下形成液滴，同時外相在重力作用下脫離管口生成水/水微囊。由于內外相均是水溶液，內相/外相界面張力較小，并且流體黏度較大，內相不容易在外相的剪切下形成液滴，進而被外相包裹形成水/水微囊，因此外相流速增大，對內相剪切加強，更易形成水/水微囊。

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

2.3內相/外相流速對水/水微囊直徑和壁厚的影響

微流控技術的優點在于對內相/外相流速及其乳化過程的精準控制。因此可以調節內相/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。當內相流速為40 mL/h，外相流速為20 mL/h時，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/空氣界面張力和內外相重力的共同作用有關，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Bo（重力/界面張力）描述。由于界面張力和重力均與內相/外相流速無關，水/水微囊的直徑基本不隨內相/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相與外相的比例。因此內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值模擬

在微流控器件中，水/水微囊的形成受內相/外相流速、黏度、界面張力等因素影響。為了進一步驗證實驗結果和指導實驗設計，通過參照實驗流體物性參數，對水/水微囊形成過程進行了數值模擬，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，出現頸縮現象，液滴脫離管口，形成水/水微囊。

數值模擬與實驗結果具有較好的一致性，數值模擬內相/外相流速對水/水微囊直徑和壁厚的影響，得出了與實驗數據一致的規律，即水/水微囊的直徑基本不隨內相/外相流速的變化而變化，而水/水微囊壁厚隨內相流速增加或外相流速減小都將減小，如圖4（B）和（C）所示。與實驗相比，數值模擬可以更系統地調節各個參數，如外相/空氣界面張力、內相/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，當外相/空氣界面張力增加，需要的重力相應增加，造成水/水微囊直徑增加。當內相/外相界面張力增大時，水/水微囊直徑略有增加。

數值模擬還研究了內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律，如圖4（F）和（G）所示。內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。當海藻酸鈉溶度增加時，包裹內相難度增大，水/水微囊的生成開始伴隨內相衛星液滴的出現，造成微囊壁厚增加。