滴液微流控技术在需要精确操控微小液体体积的应用中显示出巨大潜力，广泛应用于制药、食品饮料和材料合成等领域。现有滴液微流控设备为刚性平台，微通道的几何形状和尺寸在制造后是固定的，限制了调整滴液生成特性的能力。
近期，格里菲斯大学昆士兰微纳米技术中心Nguyen Nam-Trung教授团队报告了一种可灵活拉伸的微流控滴液生成装置，通过改变微通道尺寸来实现可调的滴液特性。相关研究以“Flexible droplet microfluidic devices for tuneable droplet generation”为题目发表于期刊《Sensors and Actuators B: Chemical》。
本文要点：
1、本研究开发了一种可拉伸的微流控设备，通过实时精确控制微通道尺寸来调控滴液尺寸和生成频率。
2、理论分析、数值建模和实验表征表明，设备横向拉伸会增加滴液直径和间距，但降低滴液生成频率。
3、当设备拉伸至25%时，滴液直径和间距增加了约20%，滴液频率降低了约45%。
4、这种创新的柔性滴液微流控平台通过现场实时修改通道尺寸，为精确控制滴液形成提供一种新的方法。
相比传统的刚性微流控设备，使用柔性微流控设备具有以下几个优势：
1、实时调控滴液特性：柔性微流控设备可以通过拉伸来精确调节滴液的尺寸、间距和生成频率，实现现场和实时的滴液特性调控，无需重新设计和制造设备。
2、适应性和多功能性强：通过拉伸调节滴液特性，柔性设备可以适应不同应用场景的滴液体积需求，比刚性设备具有更强的适应性和多功能性。
3、设计和制造更简单：柔性设备不需要复杂的控制层或致动器来改变通道尺寸，整个微流控装置可以直接拉伸，设计和制造更加简单直接。
4、细胞存活率更高：柔性设备的流动聚焦设计可以减少滴液形成过程中的剪切应力，从而更好地保护被封装的细胞，提高其存活率。
5、应用前景广阔：柔性微流控技术可应用于单细胞分析、药物筛选、材料合成、食品饮料等多个领域。
这种可拉伸微流控设备在实际应用中可能面临以下挑战：
1、材料的耐久性和稳定性：由于设备需要反复拉伸，所使用的材料（如PDMS）必须具有足够的弹性和耐久性，以承受长期的循环拉伸而不发生变形或损坏。
2、精确控制拉伸：实现精确和均匀的拉伸是关键，需要精确的机械系统来控制拉伸力度和范围，以确保滴液生成的一致性和可重复性。
3、密封性和泄漏问题：在拉伸过程中，保持微通道的密封性是一个挑战，需要确保在高拉伸下不会有流体泄漏。
4、界面张力和润湿性：微流控设备中的流体界面张力和润湿性对滴液的形成至关重要，材料的选择和表面处理需要精心设计，以优化这些特性。
5、规模化生产：将这种技术从实验室规模转移到工业规模生产可能需要解决制造成本、生产效率和质量控制等问题。
图1.通过拉伸装置改变通道尺寸和液滴生成的示意图。（a）拉伸时通道几何形状和液滴特性的变化。（b）用于理论分析的参数。
图2.（a）可拉伸液滴微流体装置的示意图。（b）制造的柔性液滴微流体装置的照片。（c）拉伸平台和柔性液滴装置的示意图。（d）实验装置的照片。放大图像显示了处于伸长状态的柔性液滴微流体装置。
图3.横向拉伸下微流体装置流动聚焦几何形状的尺寸变化。
图4.装置横向拉伸对液滴直径（Dd）、间距（Ds）和频率（Df）等液滴生成特性影响的数值研究。其中连续相和分散相的流速比（Qc/Qd）为3:1。插图中的比例尺（绿色）代表100µm。
图5.在3:1的连续和分散相流量比（Qc/Qd）下，装置拉伸对液滴生成特性影响的实验研究：（a）液滴直径（Dd）和间距（Ds），（b）液滴频率（Df）。每个值都是三次试验的平均值。误差条代表标准偏差。插图中的比例尺（绿色）代表100µm。
图6.不同流动条件下液滴特性随装置伸长而变化。
图7.实验数据与幂律拟合相关性：（a）归一化液滴尺寸与拉伸变量的关系；（b）液滴断裂时间与拉伸变量的关系。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.136617
