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

許多食品(烘焙食品、乳劑、冷凍產品等)是含有多種成分的分散體系，其中乳液是最常見的。傳統的乳液製備通常需要高速均質、高壓均質等方法。這些常用方法製備的乳液其大小、形狀和分佈是不可控的，存在多分散液滴。然而，微流控技術可精確控制多相流，以形成具有所需直徑的單分散液滴。它在許多行業都有潛在的應用，包括食品、製藥、化妝品和生物材料等行業。但其液滴生成效率低，不能滿足工業化的要求。此外，傳統方法不能很好的實現多重乳液的製備，而微流控技術可以較好的實現多重乳液的生成，但實驗時需用有機試劑對微流控芯片（玻璃毛細管，PDMS）進行局部表面處理。
近日，華南農業大學食品學院蔣卓副教授課題組基於微立體光刻3D打印技術（深圳摩方材料科技有限公司nanoArch® P140）,利用光敏樹脂材料實現微流控芯片的製備。此工作利用一種新技術製造了單乳液和雙乳液的微流控生成芯片。這些芯片採用微納微尺度3D打印技術製作，實現宏觀結構和微觀結構的有機結合，可以同時滿足不同乳液類型的製備和生成，清洗後可多次重複使用。同時實現了五個平行通道的單乳液生成，為高通量微流控技術的改進奠定了基礎。基於此，該微流控芯片成功實現了W/O/W（水/油/水）和O/W/O（油/水/油）雙重乳液的製備。此外，由於製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試劑對芯片進行局部改性。該工作以“Microfluidicdroplet formation in co-flow devices fabricated by micro 3D printing”為題發表在Journal of FoodEngineering上，第一作者是華南農業大學碩士生張佳。

2.微流控芯片的評價

為了驗證和評估該裝置的可用性，我們選取不同的乳液配方進行試驗。選取不同的油包水和水包油乳液，對乳液生成過程進行記錄，並對收集後的乳液進行分析（圖3）。收集到的油包水乳液單分散性較好，其CV為2.7%。同一裝置上實現了水包油乳液的生成，所得液滴的CV僅為2.2%。
利用五個平行流道的單乳液生成裝置進行試驗，可以在同一裝置上實現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製作簡單，集成度高，可重複使用。但其生產效率和液滴直徑仍需進一步提高，這也是我們後續研究的重點。

基於上述實驗結果，我們進行了雙重乳液的生成。在實驗中，通過改變內相、中間相和外相的速度可以調節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。對於O/W/O雙乳狀液的形成(圖6)，實驗過程中可以清楚地看到乳狀液的形成過程，但收集後的乳液穩定性極差，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，暫未得到可靠的實驗結果。

圖5 採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 採用雙乳液生成裝置生成O/W/O雙重乳液

目前，對於3D打印微流控芯片的性能評價還處於實驗室階段，所使用的乳液配方是在現有參考文獻的基礎上進行修改的。為了進一步促進微流體在食品工業中商業化，需要進一步開發相關的乳液配方。此外，微流體的一些問題需要解決，如高通量，穩定性，生物相容性等。
參與該工作的合作者有華南農業大學食品學院的碩士生徐文華，工程學院的徐鳳英教授，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。