一、研究背景

微流控系统已成为在微小几何约束内精确控制流体的关键技术，广泛应用于生物传感、药物递送和化学合成等多个领域。然而，传统微流控芯片多由硅酮、玻璃或聚合物制成，具有固体特性，无法重构，限制了微流控技术的灵活性。

尽管模块化设计可部分解决该问题，但实现器件结构的快速、任意和无限重构仍面临挑战。液体材料因具备柔软和流动特性，成为制备可重构微流控芯片的理想选择，但液-固、液-液或液-气相间的界面张力会促使液体趋向球形平衡形态，严重阻碍液体的空间有序排列。

纳米颗粒表面活性剂（NPSs）在液-液界面的组装和堵塞为可重构结构化液体的生成开辟了新方向，但现有全液体微流控器件的构建仍局限于油水体系，难以满足非水相兼容的应用需求。因此，开发非水相体系（如油-油体系）构建全液体微流控器件具有重要意义。

二、研究内容

2.1 分子刷表面活性剂（MBSs）的设计与界面性能

研究采用极性分子刷聚（甲基丙烯酸2-羟乙酯）-g-聚（丙烯酸）（PHEMA-g-PAA）与非极性低聚配体胺功能化多面体低聚倍半硅氧烷（POSS-NH₂），在二甲基亚砜（DMSO）-硅酮油界面共组装形成新型分子刷表面活性剂（MBSs）。

通过悬滴张力法测试表明：

• 单独将PHEMA-g-PAA溶于DMSO或POSS-NH₂溶于硅酮油时，界面张力降低效果微弱，表明单一组分的界面活性较低；
• 当PHEMA-g-PAA与POSS-NH₂分别溶于两相体系时，界面张力显著降低，证明两者通过静电相互作用在界面形成MBSs；
• 调节POSS-NH₂或PHEMA-g-PAA的浓度可灵活调控MBSs的界面活性，且MBSs在界面形成的组装膜具有优异的机械强度，能维持液滴的非球形形态，防止聚并。

图1. a) 不同油-油体系（DMSO/硅酮油、DMSO/POSS-NH₂、PHEMA-g-PAA/硅酮油、PHEMA-g-PAA/POSS-NH₂）的界面张力时间演变；b) 不同油-油体系的示意图；c) MBS基界面组装体表观表面覆盖率计算示意图；d) 不同POSS-NH₂浓度下表面覆盖率随时间的变化及液滴表面褶皱现象（[PHEMA-g-PAA] = 1.0 mg·mL⁻¹，[POSS-NH₂] = 1.0-30 mg·mL⁻¹）

2.2 Plateau-Rayleigh（PR）不稳定性的抑制

研究系统探究了MBSs对液体射流PR不稳定性的抑制作用。通过高速相机观察不同双相体系的射流过程：

• 纯DMSO注入纯硅酮油时，射流发生典型PR断裂，仅能形成5.0 cm长的射流；
• 仅添加PHEMA-g-PAA或POSS-NH₂时，射流长度虽有小幅提升（分别为4.6 cm和6.1 cm），但仍无法避免断裂；
• 当DMSO相含1.0 mg·mL⁻¹ PHEMA-g-PAA且硅酮油相含30 mg·mL⁻¹ POSS-NH₂时，MBSs快速在界面组装并堵塞，形成具有优异机械强度的弹性界面膜，完全抑制PR不稳定性，成功制备出连续的液体管。

图2. a) 纯DMSO射流注入硅酮油；b) 含PHEMA-g-PAA的DMSO射流注入硅酮油；c) DMSO射流注入含POSS-NH₂的硅酮油；d) 含PHEMA-g-PAA的DMSO射流注入含POSS-NH₂的硅酮油（连续图像间隔10 ms，[PHEMA-g-PAA] = 1.0 mg·mL⁻¹，[POSS-NH₂] = 30 mg·mL⁻¹）

2.3 3D打印全油微流控器件的制备与功能验证

利用3D打印机控制含PHEMA-g-PAA的DMSO液体的空间排列，通过调节打印头速度和流速，在含POSS-NH₂的硅酮油中成功打印出S形、花朵形和松鼠形等复杂结构的液体丝线，所有打印结构稳定性优异，一周内保持形态不变。

器件功能验证结果：

• 定向传输：在分支结构微流控器件中，通过注入染色溶液（尼罗红、亚甲基绿）并从指定通道提取，实现流体的定向传输；
• 层流输送：在Y形及复杂弯曲微流控器件中，两种染色溶液并行流动且不混合，形成稳定层流；
• 化学反应：以Y形器件为反应器，注入氯化铁（FeCl₃）和硫氰酸钾（KSCN）溶液，在接触处快速生成硫氰酸铁（Fe(SCN)₃），呈现血红色；
• 化学分离：MBS基界面膜具有半渗透性，尼罗红分子可从硅酮油相转移至DMSO相，为化学分离提供了独特平台。

图3. a) 全油微流控器件3D打印过程示意图；b) 3D打印的多种液体图案；c-e) 分支结构器件中染色溶液的定向传输（尼罗红溶液从通道A注入，分别从B、C通道提取；亚甲基绿溶液从A注入，从C提取）；f) Y形器件中的层流；g) 复杂弯曲器件中的层流（[尼罗红] = 1.0 mg·mL⁻¹，[亚甲基绿] = 1.0 mg·mL⁻¹，流速 = 2.0 mL·h⁻¹）

图4. a) 尼罗红从硅酮油向DMSO渗透的示意图；b) 尼罗红从硅酮油相到DMSO管的渗透现象；c-f) 荧光显微镜下尼罗红的渗透过程（比例尺 = 200 μm）

2.4 机械梯度有机凝胶的制备

以3D打印的液体通道为模板，通过在DMSO相中引入前驱体并进行聚合反应，制备纤维状有机凝胶。采用光诱导自由基介导的硫醇-烯点击反应，将含四官能硫醇交联剂（PTMP）、双官能烯烃单体（EDA）和UV光引发剂（HEMP）的混合溶液注入通道，经UV固化30分钟后获得透明线性有机凝胶。

通过控制前驱体浓度可调节有机凝胶的交联密度和模量，旋转最大角度从≈20°增至90°。进一步通过控制前驱体溶液的注入时间，在螺旋通道中实现前驱体的轴向梯度分布，结合快速光固化反应抑制前驱体扩散，成功制备出模量梯度有机凝胶。

扫描电子显微镜（SEM）观察显示：硬段部分为低孔隙率的不连续多孔结构（聚合物域尺寸20-200 μm），软段部分为高孔隙率的连续多孔结构（聚合物域尺寸5-20 μm）。原子力显微镜（AFM）测试表明，硬段和软段的平均杨氏模量分别为56.7 GPa和22.5 GPa。

图5. a) 纤维状有机凝胶制备示意图；b) 不同机械性能的有机凝胶；c) 通道中前驱体梯度分布示意图；d) 梯度交联密度有机凝胶；e,f) 有机凝胶不同部分的SEM形貌；g,h) 有机凝胶不同部分的杨氏模量分布

方案1. 3D打印全油微流控器件及机械梯度有机凝胶制备的示意图

三、研究结论

四、论文信息