双乳液是一种高度结构化的分散体系，可通过双层液滴封装液体样本，在生物、食品、化妆品等领域应用广泛。传统微流控技术主要通过调节流速控制乳液尺寸，在调节范围上存在局限性。

近期，澳大利亚格里菲斯大学Nguyen Nam-Trung教授、张俊博士等人开发了一种柔性可拉伸的微流控装置，通过调节通道尺寸实现了对双乳液核心尺寸、壳层厚度和生成频率的精确控制，无需改变流体流速或重新设计装置。这一创新技术突破了传统方法的局限，为双乳液的高精度、可重复生成提供了灵活的调控手段，显著提升了微流控技术在生物医学、食品科学等领域的应用潜力。相关研究以“Flexible Microfluidic Devices for Tunable Formation of Double Emulsion”为题目，发表在期刊《Analytical Chemistry》上。

本文要点：

1、本研究开发了一种柔性可拉伸微流控装置，通过拉伸通道实时调节液滴尺寸，无需改变流速或重构设备。

2、实验表明，施加16%应变时，核心体积增加约84%，壳层体积增加约23%，同时生成频率降低。

3、该装置采用两步流动聚焦结构，分别拉伸第一、第二节点可独立调控核心尺寸与壳层厚度，拉伸整体设备则可同步调节。数值模拟与实验结果验证了通道尺寸变化对乳液特性的影响。

4、此技术突破了传统方法的局限，实现了高精度、可重复的双乳液按需制备，为液滴微流控技术提供了灵活调控的新策略。

柔性微流控装置通过拉伸调节双乳液尺寸时，如何避免多相流体的界面失稳问题（如壳层断裂或核心偏移）？

1、流场优化设计：

• 渐变收缩段：在流动聚焦节点设计宽度渐变的收缩通道，通过平滑的流场变化减少界面剪切突变。

• 微柱阵列辅助：在壳层通道内集成微柱结构，利用毛细力锚定壳层流体，防止拉伸过程中的界面偏移。

2、动态润湿性控制：

• 光响应表面涂层：在壳层通道表面修饰偶氮苯衍生物，通过紫外光照动态调整润湿性（疏水→亲水），抑制壳层流体铺展。

• 电场辅助界面稳定：在通道两侧嵌入微电极，施加电场诱导电润湿效应，补偿拉伸导致的润湿性偏移。

3、流体参数匹配：

• 黏度比优化：通过实验筛选壳层与核心流体的黏度比，确保拉伸过程中剪切力平衡。

• 表面活性剂复配：使用Span 80与Tween 20复配体系，降低多相界面张力，增强界面抗拉伸扰动能力。

如何进一步提高柔性微流控装置的调控精度和稳定性？

1、材料改进：选择更高弹性模量和更好化学稳定性的材料来制造微流控装置，以减少拉伸过程中的形变不均匀性和材料疲劳。

2、结构优化：设计更复杂的通道结构，例如渐变宽度或多级收缩段，以实现更精细的液滴尺寸调控。

3、反馈控制系统：结合传感器技术，实时监测液滴的尺寸和生成频率，并通过反馈控制自动调整拉伸程度，从而提高调控的精度和稳定性。

4、表面改性：进一步研究和优化通道表面的化学改性方法，以减少液滴在通道壁上的粘附，提高液滴生成的均匀性和稳定性。

图1.用于理论分析的参数以及在双乳液生成过程中涉及的流体相。

图2.（a）可拉伸双乳液发生器的示意图。（b）柔性PDMS微流体装置的照片。（c）柔性微流体双乳液发生器和拉伸平台的示意图。（d）实验装置的照片。（e）不同拉伸模式下的柔性双乳液发生器：（i）连接1的拉伸；（ii）连接2的拉伸。

图3.（a）在两步流动聚焦微流体装置中形成双乳液液滴。核心液滴在连接1处通过壳层流体的剪切作用形成，随后在连接2处被载体流体包裹形成双乳液滴。最后，间隔流体将形成的双乳液液滴导向出口。（b）双乳液液滴在通道壁的约束下（h<D_M）获得椭球形状的示意图。

图4.（a）仅拉伸连接1时，J1和J2处关键通道尺寸的变化。（b）仅拉伸连接2时，J1和J2处关键通道尺寸的变化。（c）拉伸整个装置时，J1和J2处关键通道尺寸的变化。

图5.（a）拉伸连接1时，核心直径（D_C）、双乳液外径（D_DE）和壳层厚度（T_S）以及空壳液滴直径（D_ES）的变化（分别对应蓝色、红色、黄色和灰色曲线）。（b）拉伸连接2时，核心直径（D_C）、双乳液外径（D_DE）和壳层厚度（T_S）的变化（分别对应蓝色、红色和黄色曲线）。（c）拉伸整个装置时，核心直径（D_C）、双乳液外径（D_DE）、壳层厚度（T_S）和空壳液滴直径（D_ES）的变化（分别对应蓝色、红色、黄色和灰色曲线）。

图6.在Q_C=20μL/h、Q_S=60μL/h和Q_CRP=500μL/h的条件下，（a）拉伸整个装置时，核心尺寸与拉伸变量的归一化关系。（b）拉伸整个装置时，双乳液外径与拉伸变量的归一化关系。（c）核心液滴的剪切时间与拉伸变量的关系。（d）双乳液液滴的剪切时间与拉伸变量的关系。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5c00338