流动参数对微流控平台中核壳型果胶 - 藻酸盐液滴形成的影响：实验与数值研究

《International Journal of Multiphase Flow》：Effect of flow parameters on the formation of core–shell pectin–alginate droplets in a microfluidic platform: Experimental and numerical investigation

　　

•连续相流量对液滴形成的影响最强。•喷射模式下的壳层厚度变化比滴落模式下更为显著。•中间相的卫星液滴显著破坏了液滴尺寸的均匀性。•卫星液滴的形成受射流不稳定性与 breakup 动力学控制。•壳层厚度可通过内相流量有效调控。

引言

核壳微载体能够实现高效包封等功能特性，而这些特性是简单微粒无法做到的（Yazdian Kashani 等，2020；Pang 等，2023；Zhang 等，2022），因此被广泛应用于药物递送（Huang 等，2025；Wang 和 Zhou，2025；Ai 等，2025；Wang 等，2025）、生物医学成像（Zhou 等，2014；Li 等，2016；Kamińska 等，2018）、生物传感器（Petrila 等，2025；Grasso 等，2025；Kumar 等，2025）以及再生医学（Chen 等，2025；Ranjbaran 等，2025；Zhang 等，2025）等领域。在核壳微载体中，壳层能够增强生物相容性并修饰核心表面，同时还能保护核心免受氧化、腐蚀、侵蚀和降解。此外，壳层还允许进行表面生物活性配体的功能化修饰，并实现响应性控释（Galogahi 等，2020）。核心作为活性物质的主要储库，为敏感分子提供保护性环境，其材料组成直接影响载药量、稳定性和释放行为（Yazdian Kashani 等，2020）。核壳微粒至少由两种不同的相似或不同材料层组成，其化学、光学、生物学和磁学特性在很大程度上取决于所选核心和壳层成分（Yazdian Kashani 等，2020；Zhang 等，2022；Galogahi 等，2020）。在生物医学应用中，可生物降解且具有生物相容性的天然聚合物被广泛使用，尤其是海藻酸钠（SA），因其具有高渗透性、易于成胶和生物相容性等优点，常用于制备单分散微载体中的多孔壳层（Berkland 等，2002；Abdullah 等，2019；Wang 等，2023；Khajuria 等，2020；Huang 等，2021；Namgung 等，2021）。果胶（PEC）作为一种异质多糖，因其可生物降解性、无毒、生物黏附性、抗癌特性和 pH 响应行为而常被应用（Qi Zhang 等，2023；Baracat 等，2012）。将 SA 和 PEC 结合于核壳结构中可增强机械稳定性、耐胃液性和控释行为，使其适用于靶向胃肠道药物递送（Auriemma 等，2020；Amante 等，2023）。

制备核壳微粒最常用的方法之一是双乳液技术（Mahdavi 等，2020）。迄今为止，人们已采用各种物理和化学方法制备核壳微粒，包括喷雾干燥、聚合、自组装和溶剂蒸发（Yazdian Kashani 等，2020）。所得颗粒的特性，如粒径、形貌、结构、壳层厚度和组成，直接受制备方法的影响（Zhang 等，2022）。对于高精度生物医学应用，尤其是药物递送，能够制备具有明确结构、精确组成控制、可重复释放曲线和窄粒径分布的单分散核壳微粒至关重要。这些特性也直接影响核壳微粒的疗效。因此，传统方法由于对形貌控制有限且可重复性差，会导致多分散微粒的产生（Yazdian Kashani 等，2020；Wang 等，2020；Riahi 等，2015）。基于液滴的微流控技术能够以高重复性生成微粒，具有窄粒径分布、优异的包封效率以及对合成过程的实时分析能力（Mahdavi 等，2020）。微流控系统中的液滴生成分为两类：主动式和被动式，分别基于是否存在外加场。被动方法仅基于流动流体力学、相的物理性质和芯片几何形状来实现可控的液滴形成，而主动方法则需要制造和微型化设备（Mofrad 和 Asiaei，2025）。

基于液滴的微流控技术是一种精密技术，通过操控微米级通道中的流体来生成具有可控尺寸和结构的微粒。液滴的生成受相性质、流体流动参数和芯片几何形状的影响（Pang 等，2023；Riahi 等，2015；He 等，2019；Sinawang 和 Duan，2026）。聚合物的溶液根据其浓度和分子结构可以表现出牛顿或非牛顿流变行为。当聚合物相表现出牛顿行为时，流量比、黏度比、毛细数（Ca）和微通道几何形状等参数是控制流动特征和确定液滴性质的关键因素。在这些条件下，惯性力、界面张力和剪切力之间的竞争主要控制流动模式和液滴 breakup 机制（Sinawang 和 Duan，2026；Duan 等，2024）。然而，最新的研究表明，微流控系统中的液滴形成并非仅由惯性和界面力控制。在非牛顿聚合物流体中，弹性力、黏性力和毛细力之间的相互作用可以显著影响流动模式演变、缩颈动力学和 pinching 过程。特别是，聚合物流体中弹性的存在会抵抗变形，从而与牛顿流体相比延迟缩颈阶段，改变液滴形成机制和流动模式的稳定性（Duan 等，2024）。除了流量和流体流变性质的影响外，近期研究强调了通道润湿性在调节液滴形成中的重要作用。流体与通道壁之间的接触角可以影响分散相与固体表面之间的相互作用，从而影响界面变形、缩颈动力学和液滴分离。特别是，表面润湿性的变化可以改变流动模式的边界和生成液滴的特性（Sinawang 和 Duan，2026）。这些效应在复杂乳液液滴（如双乳液和核壳结构）的生成中变得更加显著，其中对液滴尺寸、核壳比和结构均匀性的精确控制对于实现预期性能至关重要。微流控系统的最新进展通过精确操控流动条件、通道几何形状和界面相互作用，实现了对复杂液滴形成的改善。研究表明，流量比、通道尺寸和 Ca 等参数可以通过改变流体力学和界面力之间的平衡，来改变液滴形貌并控制不同结构（包括 Janus 和核壳构型）之间的转变（Zhou 等，2025）。

根据相的物理特性和流动流体力学，无论几何参数如何，都会出现多种稳定和不稳定的液滴形成模式。在核壳液滴形成过程中，由于各种流体相之间的相互作用，会产生影响颗粒均匀性和形貌的复杂流体力学不稳定性（Oveysi 等，2024；Alizadeh 等，2024）。例如，在高黏度聚合物流体中，占主导地位的黏性应力可以抑制 Rayleigh–Plateau 不稳定性的增长，而该不稳定性负责流体细丝的自发 breakup 和后续液滴的形成。因此，取而代之的是一种稳定的聚合物细丝，而非规则的液滴分离，从而延迟了缩颈过程。增加流速以克服这种黏性稳定化可以将系统推向惯性诱导的不稳定模式，导致不规则的射流 breakup 和液滴多分散性的增加。此外，聚合物流体的非牛顿行为，如剪切变稀，可以引入黏度和速度场的局部变化，导致内部涡旋的形成、pinching 机制的改变以及对卫星液滴生成敏感性的增加（Duan 等，2026）。

仅依靠实验研究不稳定性及其流体力学是不够的，因为该方法在检查流动场和压力场方面存在局限性。因此，数值研究是一种适当的补充实验研究方法，通过分析流动行为和模拟液滴形成模式来进行（Bariki 和 Movahedirad，2022）。为了模拟微流控系统中的多相流，人们开发了各种计算技术，通常分为表面追踪和界面捕获（重建）方法。在表面追踪方法中，通过更新计算网格或在每个时间步重建相边界来显式追踪界面，这在涉及复杂拓扑变化（如液滴 breakup 或聚并）的情况下可能具有挑战性。色梯度、赝势、自由能和平均场模型等方法属于此类别。相比之下，界面捕获方法使用固定计算域上的连续函数来表示相，无需移动网格，能够稳健地模拟大的界面变形，如液滴的形成和 breakup。常见的方法包括 Level Set、相场和流体体积（VOF）方法（Mozhdehbakhsh Mofrad 等，2025）。在这些方法中，VOF 方法通过追踪计算单元内各相的体积分数并求解界面演化的输运方程，被广泛应用于多相流模拟。它提供了精确的相边界重建，适用于可变形界面（Azarmanesh 等，2016）。其优势包括适用于广泛的雷诺数和密度/黏度比范围、质量守恒、可靠的界面追踪和相对较低的计算成本，使其在双相流和液滴形成研究中得到广泛应用（Ye 等，2024）。然而，在大多数关于微流控系统中液滴形成的数值研究中，主要关注的是稳定的流动模式和相对简单的多相构型，而复杂的界面不稳定性受到的关注较少。

本研究采用交叉流微流控器件生成可调的果胶–海藻酸钠核壳液滴。在实验部分，系统地研究了不同相流量变化（以相应的 Ca 表示）的影响，以表征稳定和不安定的液滴生成模式。在不同操作条件下分析了液滴形貌、尺寸、breakup 位置和尺寸分布。此外，建立了基于 Ca 的流动模式图，以方便对液滴形成行为进行精确控制和预测。还进行了敏感性分析，评估入口流量对关键输出参数（包括液滴直径、壳层厚度、核心直径和液滴生成频率）的影响，从而实现可调核壳液滴的可控生产。在研究的数值阶段，调查了与不安定模式相关的流场和体积分数分布，这些模式以内相和中间相形成卫星液滴为特征，以阐明潜在的液滴形成动力学。为支持数值模拟，所有相的物理性质均经过实验测量，为未来生物医学微流控研究提供了可靠的数据集。本研究的结果为可控生成具有明确核壳界面的水相、pH 响应性核壳液滴提供了有价值的见解，为靶向结肠药物递送和细胞包封等生物医学应用提供了重大潜力。

章节摘要

理论与控制方程

使用注射泵将各相注入微流控芯片中。液滴在交汇处生成，连续相在此剪切并打断分散相，将注射泵提供的能量转化为界面能。因此，分析微流控系统中移动相边界至关重要。体相和表面现象以及相之间的性质变化由一组参数来描述。控制微流控的力为

材料

海藻酸钠（SA，中等黏度）、果胶（PEC，高甲氧基）、壳聚糖（CS，中等分子量）、醋酸、吐温80、卵磷脂、五水合氯化钙（CaCl?·5H?O）、石蜡油、乙二胺四乙酸钙（Ca-EDTA）、丙酮和异丙醇（IPA）购自 Sigma-Aldrich。环氧基负性光刻胶 SU-8、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、甲基氢化异癸醇丙酸酯（PGMEA）和硅片购自 Kayaku。

器件制备与微粒生成

验证

补充说明 2 涵盖了验证及其结果。

聚合物溶液的流变表征

图 S3 展示了本研究中所研究的不同聚合物浓度下 SA 和 PEC 溶液的流变行为。在所研究的剪切率范围内，两种聚合物溶液均表现出近乎牛顿的行为，随着剪切率增加，黏度仅有轻微变化。尽管 SA 和 PEC 溶液在不同条件下（如较高聚合物浓度或不同剪切率范围）可能表现出非牛顿或黏弹性行为，但这些效应

结论

在稳定和不稳定的流动模式下，于双交叉流微流控器件中生成了 PEC-SA 核壳液滴。稳定模式包括塞流、滴落、喷射和平行流，其转变由相流量和相应的毛细数控制。在这些模式中，滴落模式生成了高度均匀的核壳液滴，平均直径为 140.7633 μm，变异系数（CV）为 0.093433。

相比之下，不稳定状态以卫星液滴为特征。CRediT作者贡献声明：Yasaman Mozhdehbakhsh Mofrad：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿撰写，可视化，验证，软件，项目管理，方法论，调查研究，形式分析，数据管理，概念构思。Sasan Asiaei：撰写–审阅与编辑，监督指导，项目管理，方法论。Mona Navaei-Nigjeh：撰写–审阅与编辑，项目管理。Mohammad Abdollahi：撰写–审阅与编辑，监督指导，项目管理。Yasaman Mozhdehbakhsh Mofrad|Sasan Asiaei|Mona Navaei-Nigjeh|Mohammad Abdollahi