微流控（microfluidics）技術(shù)也稱為芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip）技術(shù)，是 20 世紀(jì) 90 年代問(wèn)世的一項(xiàng)新技術(shù)，其通道和構(gòu)件的尺寸為幾十到幾百微米，可靈活操控微小體積流體在微小通道或構(gòu)件中流動(dòng)。由于順應(yīng)了微型化和集成化這一現(xiàn)代科技文明發(fā)展趨勢(shì)，微流控技術(shù)迅速獲得國(guó)際科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注和重視。

由于微流控技術(shù)對(duì)微小體積流體的精確可操控特性，它正在從當(dāng)初作為分析化學(xué)平臺(tái)的微分析和微檢測(cè)技術(shù)向高通量藥物篩選、微混合、微反應(yīng)、微分離等領(lǐng)域迅猛延伸，邁上新的臺(tái)階。由于其優(yōu)異的流體界面控制能力以及優(yōu)良的傳質(zhì)傳熱性能，微流控技術(shù)作為一種嶄新的材料制備技術(shù)平臺(tái)，目前已在構(gòu)建微結(jié)構(gòu)精確可控的高性能新型微囊微球材料、微通道膜材料以及超細(xì)纖維材料等方面嶄露頭角，特別是在一些高附加值新型功能材料的設(shè)計(jì)與制備方面顯示出傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法比擬的創(chuàng)造性和前所未有的優(yōu)越性。

概括起來(lái)，微流控技術(shù)通過(guò)微通道對(duì)不互溶的液相體系可控構(gòu)建的穩(wěn)定相界面結(jié)構(gòu)主要可分為兩大體系：

一是具有封閉液-液相界面的乳液液滴體系；二是具有非封閉液-液相界面的層流體系，見(jiàn)下圖。

利用微流控構(gòu)建的這兩大類穩(wěn)定的相界面結(jié)構(gòu)體系，主要可用以制備微結(jié)構(gòu)精確可控的三大類高性能新型功能材料：

一是利用具有封閉液-液相界面的乳液液滴體系制備微球微囊材料；

二是利用具有非封閉層狀液-液相界面的層流體系制備微通道膜材料；

三是利用具有非封閉環(huán)狀液-液相界面的層流體系制備超細(xì)纖維材料。

如下圖所示，微流控技術(shù)在構(gòu)建這三類功能材料方面顯示出優(yōu)越的可控性和巨大的潛力，可以在功能材料的小尺度化、薄膜化、纖維化、復(fù)合化、多功能化、智能化、材料元件一體化等方面發(fā)揮其特有優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)具有新結(jié)構(gòu)、新功能和高性能特征的新型功能材料的可控構(gòu)建與系列化。本文將介紹近些年來(lái)微流控技術(shù)構(gòu)建微尺度相界面及制備新型功能材料方面的研究進(jìn)展。

圖1 微流控法構(gòu)建微尺度穩(wěn)定相界面及用以制備新型功能材料的體系圖

1、微流控構(gòu)建微尺度封閉液-液相界面及制備微球微囊材料

微球微囊材料由于其小尺寸和可控內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可作為微存儲(chǔ)器、微反應(yīng)器、微分離器和微結(jié)構(gòu)單元，在藥物送達(dá)、物質(zhì)包封、化學(xué)催化、生化分離、人工細(xì)胞和酶固定化等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。微球微囊材料的制備一般都是以具有穩(wěn)定封閉液-液相界面的乳液液滴，如油包水（W/O）或水包油（O/W）單乳、W/O/W 或 O/W/O 復(fù)乳、或更復(fù)雜的多重乳液作為模板，在液滴內(nèi)或相界面處通過(guò)后續(xù)的聚合、交聯(lián)、溶劑揮發(fā)、固化、組裝等方法完成。傳統(tǒng)制備乳液液滴的方法主要是靠機(jī)械攪拌或流體剪切，所獲得的乳滴以及以其作為模板制得的微球微囊的尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都難以得到很好地控制，大大影響了微球微囊材料的性能及應(yīng)用。微流控技術(shù)由于能夠通過(guò) T 形垂直交錯(cuò)型、流體聚焦型和環(huán)管同軸流型等微通道裝置將分散相可控地分散到連續(xù)相中，實(shí)現(xiàn)對(duì)乳液液滴相界面微結(jié)構(gòu)的連續(xù)精確控制，在制備尺寸、單分散性和微結(jié)構(gòu)精確可控的微球微囊材料方面呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性。

國(guó)內(nèi)外研究者們利用微流控構(gòu)建微尺度封閉液-液相界面及制備單分散微球微囊材料方面已取得了許多重要進(jìn)展。在應(yīng)用微流控制備微球微囊材料方面的國(guó)內(nèi)外研究中，絕大多數(shù)研究工作都主要集中在利用 W/O 或 O/W 單乳（如上圖左上角第一排所示）作為模板制備單分散微球、或利用簡(jiǎn)單 W/O/W 或O/W/O 復(fù)乳（如上圖 左上角第二排第一列所示）作為模板制備單分散核殼型微囊，也有一些研究嘗試了利用微流控技術(shù)制備同成分多核結(jié)構(gòu)微球、Janus 微球以及非球形顆粒等新材料。近來(lái)，作者課題組采用通過(guò)微通道的串聯(lián)和并聯(lián)方法可控構(gòu)建了具有微尺度多相多組分復(fù)雜結(jié)構(gòu)液-液相界面的多重乳液體系，并以其作為模板制備了實(shí)現(xiàn)多相多組分物質(zhì)可控裝載的微球微囊、以及新型多功能復(fù)雜結(jié)構(gòu)微球微囊材料。

總的來(lái)說(shuō)，迄今的這些研究尚未充分發(fā)揮微流控技術(shù)通過(guò)微通道的串聯(lián)和并聯(lián)可控構(gòu)建具有微尺度多相多組分復(fù)雜結(jié)構(gòu)液-液相界面的多重乳液體系的優(yōu)勢(shì)（圖 1 左側(cè)）。究其原因，一方面在于微流控技術(shù)尚屬一項(xiàng)新興技術(shù)，目前在新型功能材料制備方面還在起步階段；另一方面，相比于簡(jiǎn)單的W/O或 O/W 單乳以及 W/O/W 或 O/W/O 復(fù)乳，具有微尺度多相多組分復(fù)雜結(jié)構(gòu)液-液相界面的穩(wěn)定多重乳液體系的微流控構(gòu)建難度更大，還需深入研究其構(gòu)建與調(diào)控機(jī)制；而且，以其為模板制備多功能復(fù)雜結(jié)構(gòu)微球微囊過(guò)程中液-液相界面微結(jié)構(gòu)和界面?zhèn)髻|(zhì)與反應(yīng)之間的作用與反作用關(guān)系更為復(fù)雜和重要，更需要深入認(rèn)識(shí)。

2、微流控構(gòu)建微尺度層狀液-液相界面及制備微通道膜材料

功能膜材料技術(shù)由于在分離、純化、催化、分析檢測(cè)、控制釋放、乳化等方面的優(yōu)異性能，被認(rèn)為是可持續(xù)發(fā)展的支撐技術(shù)之一，同時(shí)作為重要的化工分離技術(shù)而受到高度重視。如果把膜材料與微流控技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將會(huì)發(fā)揮二者的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)功能材料和元件的一體化。這樣，不僅能夠促進(jìn)膜材料在微分離和微分析檢測(cè)等方面的應(yīng)用，還能為微化工或微反應(yīng)工藝提供新型催化或反應(yīng)分離耦合技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣闊。因此，作為一項(xiàng)嶄新的技術(shù)平臺(tái)，微通道膜材料技術(shù)正日益受到國(guó)際上不同學(xué)科領(lǐng)域的高度重視。

研究發(fā)現(xiàn)，在同向流微通道中，當(dāng)不互溶的多相流體同時(shí)流入同一微通道時(shí)，通過(guò)微流控層流技術(shù)可形成穩(wěn)定的層狀層流流型（圖 1“層狀界面”），各相流體可在保持自身流型不變的情況下，只在液-液相界面處發(fā)生聚合、交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)，在微通道內(nèi)形成單層或多層平行的新型超薄膜材料。微通道膜材料可將微通道分隔為若干獨(dú)立的通道，利用功能膜材料的選擇滲透性或吸附作用，可以實(shí)現(xiàn)流相中物質(zhì)的選擇分離、提取、分析檢測(cè)等應(yīng)用；也可將催化劑有效沉積在膜材料的表面，從而增大微通道內(nèi)催化材料的比表面積，加快微通道內(nèi)催化反應(yīng)的速率。由于微通道膜材料的制膜工藝不同于傳統(tǒng)的制膜工藝，迄今僅有為數(shù)不多的文獻(xiàn)報(bào)道了利用微流控層流技術(shù)在微通道內(nèi)制備聚酰胺、殼聚糖等材質(zhì)的微通道膜材料；而對(duì)于其他許多性能優(yōu)良的膜材料，在微通道內(nèi)利用微流控層流技術(shù)成膜的工藝尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。另外，環(huán)境響應(yīng)型智能膜材料由于能夠根據(jù)外界環(huán)境的物理或化學(xué)信號(hào)的變化來(lái)自律式調(diào)節(jié)其有效膜孔徑和滲透性而顯示出普通膜材料無(wú)法比擬的優(yōu)越性，如果將智能膜材料與微流控技術(shù)結(jié)合起來(lái)，無(wú)疑將為微分離、微分析檢測(cè)、微反應(yīng)等過(guò)程的強(qiáng)化和膜性能的提高提供高效支撐技術(shù)。但是，迄今尚未見(jiàn)到利用微流控構(gòu)建微尺度層狀液-液相界面來(lái)制備微通道智能膜材料方面的研究報(bào)道，究其原因，相比于普通平板膜材料的制備，微通道中受限空間內(nèi)膜材料的原位制備難度更大，成膜工藝和過(guò)程受限更多，不僅受成膜材料體系的影響，更受流體相界面結(jié)構(gòu)和微通道尺度的影響。因此，尚需深入研究微通道膜材料制備過(guò)程中微尺度層狀液-液相界面的構(gòu)建與調(diào)控、膜材料合成過(guò)程中的液-液相界面微結(jié)構(gòu)和界面?zhèn)髻|(zhì)與反應(yīng)之間的作用與反作用關(guān)系以及微通道膜的多功能化途徑。

3、微流控構(gòu)建微尺度環(huán)狀液-液相界面及制備超細(xì)纖維材料

超細(xì)纖維材料在光電、生物醫(yī)藥、化工、輕工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，其中，中空超細(xì)纖維膜材料在化工分離等過(guò)程中起著十分重要的作用。目前，超細(xì)纖維材料的制備主要采用熔融紡絲法、靜電紡絲法等，這些方法尚難以實(shí)現(xiàn)超細(xì)纖維材料微結(jié)構(gòu)精確調(diào)控或賦予其多功能化特征；因此，需要尋求新的制備工藝和方法，而微流控層流技術(shù)正是極具前景的新方法。

研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)微流控層流技術(shù)可將不互溶的多相流體在微通道內(nèi)形成穩(wěn)定的環(huán)狀界面層流流型（圖 1“環(huán)狀界面”），利用此穩(wěn)定的多相環(huán)狀界面層流體系，可在液-液相界面處或相內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)或固化而制備得到線狀實(shí)心超細(xì)纖維、管狀中空超細(xì)纖維或核殼型復(fù)合超細(xì)纖維等材料。由于微流控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)狀層流液-液相界面的連續(xù)精確調(diào)控和對(duì)纖維材料合成體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，相比于傳統(tǒng)的紡絲技術(shù)，微流控技術(shù)在精確調(diào)控和設(shè)計(jì)超細(xì)纖維材料的微結(jié)構(gòu)以及提升超細(xì)纖維材料的性能或賦予其多功能化特征等方面均具有顯著的優(yōu)越性。

國(guó)內(nèi)外研究者采用微流控技術(shù)成功制備出了海藻酸鈣、聚乙烯醇、聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）、脂質(zhì)體、殼聚糖、聚醚砜、聚丙烯腈、四硫富瓦烯（tetrathiafulvalene）/銅復(fù)合物、二氧化鈦等材質(zhì)的超細(xì)纖維功能材料，顯示出微流控技術(shù)構(gòu)建微尺度環(huán)狀液-液相界面及制備超細(xì)纖維材料的靈活性和非凡潛力。但是，由于微流控技術(shù)構(gòu)建微尺度環(huán)狀液-液相界面及制備超細(xì)纖維材料尚屬一項(xiàng)新工藝，迄今報(bào)道的微流控制備超細(xì)纖維材質(zhì)還十分有限、且超細(xì)纖維的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還較簡(jiǎn)單。微流控技術(shù)可以通過(guò)對(duì)多相流體環(huán)狀相界面上的反應(yīng)與組裝以及流體相內(nèi)的復(fù)合與反應(yīng)等方式進(jìn)行精確操控，以賦予超細(xì)纖維材料新型可控復(fù)合微結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)其多功能化等特性。如在微通道內(nèi)通過(guò)構(gòu)建微尺度非封閉環(huán)狀液-液相界面實(shí)現(xiàn)“一步法（one-step method）”制備中空超細(xì)纖維智能膜材料、新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)超細(xì)纖維功能材料以及中空或核殼型有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合超細(xì)纖維功能材料等新型功能材料，但迄今還少有相關(guān)報(bào)道。究其原因，一方面在于微流控技術(shù)在設(shè)計(jì)制備超細(xì)纖維材料方面尚屬一項(xiàng)新技術(shù)，目前還在起步階段；另一方面，相比于上述幾種材質(zhì)的超細(xì)纖維功能材料的微流控制備，中空超細(xì)纖維智能膜、新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)超細(xì)纖維以及中空或核殼型有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合超細(xì)纖維等功能材料由于其微結(jié)構(gòu)和成型過(guò)程影響因素更復(fù)雜，其材料微結(jié)構(gòu)和性能可控難度更大，需深入認(rèn)識(shí)其結(jié)構(gòu)形成與性能調(diào)控機(jī)制。

總結(jié)

微流控技術(shù)的出現(xiàn)為新型功能材料的設(shè)計(jì)與可控制備提供了一個(gè)嶄新的技術(shù)平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)功能材料的小尺度化、薄膜化、纖維化、復(fù)合化、多功能化、智能化、材料元件一體化等帶來(lái)了新的機(jī)遇，特別是在構(gòu)建微尺度液-液相界面以及制備微結(jié)構(gòu)精確可控的高性能新型微囊微球材料、微通道膜材料以及超細(xì)纖維材料等方面優(yōu)勢(shì)突出。

但是，有關(guān)微流控技術(shù)通過(guò)構(gòu)建微尺度液-液相界面來(lái)制備新型功能材料方面的研究工作尚屬起步階段，迄今微流控技術(shù)在構(gòu)建微尺度相界面及制備微囊微球材料、微通道膜材料以及超細(xì)纖維材料等方面尚存在許多問(wèn)題，研究對(duì)象需要拓展，液-液相界面設(shè)計(jì)與調(diào)控以及材料合成過(guò)程的基本規(guī)律和機(jī)理有待深入認(rèn)識(shí)。

概括起來(lái)，主要有以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

①所構(gòu)建的微尺度液-液相界面及制備的功能材料其微結(jié)構(gòu)還較為簡(jiǎn)單，尚缺乏對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多功能材料的設(shè)計(jì)與制備；

②所研究的材料對(duì)象還較零散，尚缺乏系列化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性的理論和技術(shù)基礎(chǔ)；

③所制備的功能材料多為有機(jī)材質(zhì)，對(duì)無(wú)機(jī)材料或有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備尚顯欠缺；

④尚欠缺對(duì)設(shè)計(jì)和構(gòu)建系列化液-液相界面微結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的深入研究；

⑤尚欠缺對(duì)材料合成制備過(guò)程中的液-液相界面微結(jié)構(gòu)和界面?zhèn)髻|(zhì)與反應(yīng)之間的作用與反作用關(guān)系及其進(jìn)一步對(duì)材料微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的影響及調(diào)控行為方面的研究。

（國(guó)家自然科學(xué)基金及教育部“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目）