同轴界面剪切技术制备与分选微液滴研究

发布时间：2020-06-26 02:17

【摘要】：微液滴在生物医学、材料等领域应用广泛,近些年发展迅速的微流体液滴制备技术,可以实现对微液滴尺寸、结构的精确控制,受到了越来越多研究者的关注。界面剪切(Interface Shearing)技术作为一种新型微流体液滴制备技术,利用一根振动的毛细管在气液界面周期性剪切故而形成微液滴,以其技术简单稳定、单分散性好、材料适用性广等优势有望广泛应用于生物化学等领域。本文基于单轴界面剪切技术,在其微包裹与排列分选技术上进行了拓展与创新,具体内容如下:1.拓展了同轴界面剪切(Coaxial Interface Shearing,CIS)技术制备双乳液滴。CIS技术利用一个自制的同轴针头可制备均匀、粒径高度可控、包封率高、材料适用性广的双乳液滴。本文详细讨论了振动频率、内外相流量等实验参数在CIS制备双乳液滴过程中的影响,对同轴针头振动幅值、振动频率、流量供给进行了极值分析。通过CIS技术制备了一种外壳为壳聚糖水凝胶、内核为全氟戊烷的超声可激发微载体,研究了该微载体的超声激发特性,验证了其在超声可控药物传输领域中的潜力。除此之外,本文将气液界面的液桥断裂拓展至气固界面,实现了在固体表面的双乳液滴打印;最后,本文通过自制的一包二复合针头界面剪切制备了双核液滴。CIS技术将在微包裹技术领域中有着广泛的应用前景。2.提出了斜向界面剪切(Oblique Interface Shearing,OIS)技术,巧妙地利用一根倾斜的毛细管界面剪切,实现一步制备与排列分选微液滴。液滴制备后下落过程中最终会产生一个不随时间变化的侧向位移,本文实验研究了毛细管倾角、振动频率和流体流量对该侧向位移的影响,探讨了微液滴在OIS制备过程中排列定位到所需位置的可能性;并基于Stokes drift物理模型解释了各实验参数对侧向位移的影响规律,OIS技术制备微液滴产生的侧向位移随毛细管倾角的增加而增加,随流量的减小、频率的增大而增大,实验与理论结果一致。OIS技术通过改变毛细管倾角,或同时改变流量、频率并保持其比值不变,可实现相同大小液滴的排列;最后通过改变振动频率,微液滴的大小和位置都可预测控制,利用一个石英槽对不同大小的微液滴进行了分选与收集。对微液滴的一步制备与分选使得OIS技术在生物化学领域有着广阔的应用前景。3.将CIS技术与OIS技术结合,拓展了同轴斜向界面剪切(Coaxial Oblique Interface Shearing,COIS)技术,可对双乳液滴的形貌和最终掉落位置同时进行控制。本文通过改变内外相流量与振动频率来控制双乳液滴的不同尺寸与形貌,基于Stokes drift模型引入内外相流量参数,可对不同形貌的双乳液滴进行不同掉落位置的预测和拟合。对于不同形貌的双乳液滴进行排列分选,主要研究了相同外径不同壳厚、相同内径不同壳厚、内外径均不相同的双乳液滴;除此之外,通过控制内外相流量之和(内外相流量比例不变)与振动频率的比例不变,COIS技术可对相同尺寸、形貌的双乳液滴进行不同掉落位置的控制。最后初步验证了COIS技术在空间和化学梯度药物释放中的潜力,不同形貌的双乳液滴在空间上的化学梯度将在药物缓释、组织工程等领域有着广泛的应用。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08;TN492
【图文】：

流控,两相流,乳液,微流控

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复合液,毛细,技术

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