突破高粘度限制：阶梯式T型结微流控反应器，实现功能化壳聚糖微球精准制备-北京永康乐业科技发展有限公司

文献导读：

西安交通大学郝南京教授团队开发了一种阶梯式T型结微流控反应器，旨在解决高粘度非牛顿流体在制备壳聚糖微球时难以精确控制粒径和均匀性的难题。研究人员利用油包水液滴微流控技术，通过连续相对分散相的剪切力作用，实现了单分散壳聚糖液滴的稳定生成及化学交联固化。为了进一步提升产品质量，该设备专门设计了一个倾斜侧通道，能够高效分离并收集制备过程中产生的副产物——卫星液滴。

实验结果表明，该系统具有极宽的操作范围，并能通过调节流速和反应时间将微球粒径精准控制在50至200微米之间。这种创新方法不仅优化了功能化聚合物微球的合成工艺，还为深入理解复杂粘性流体在微尺度下的分散机制提供了理论依据。该技术在生物检测、药物递送及疾病治疗等领域展现出巨大的工业应用潜力和科研价值。相关研究以“Rational Design of Droplet Microfluidic Reactors for Controllable Non-Newton Viscous Production of Functional Chitosan Microspheres”为题目，发表在期刊《Industrial & Engineering Chemistry Research》上。

本文要点：

1. 研究背景与挑战

壳聚糖微球在生物检测、药物递送和疾病治疗（如栓塞治疗）中具有重要作用。然而，壳聚糖溶液作为一种非牛顿粘性流体，在微流控过程中极易产生不希望出现的卫星液滴（satellite droplets），且制备尺寸可控、高单分散性的微球仍是一个重大挑战。

2. 创新的微反应器设计

阶梯式T型结（Step T-junction）：研究者设计并制造了一种改进的阶梯式T型结微通道，利用非对称流场产生的强剪切力，即使是高粘度的壳聚糖溶液也能被有效破碎成单分散液滴。
卫星液滴分离装置：为提高产品质量，微通道中设计了一个倾斜的侧通道（角度为45°），利用母液滴与卫星液滴之间的速度差异，成功实现了卫星液滴的近100%分离。

3. 合成机制与过程

化学交联反应：采用油包水（W/O）乳液系统，壳聚糖水溶液为分散相，含有戊二醛（glutaraldehyde）的矿物油为连续相。戊二醛的醛基与壳聚糖的氨基发生化学交联反应，使液滴固化形成微球。
荧光微球制备：通过在壳聚糖溶液中溶解罗丹明6G，可以同步合成具有荧光功能的壳聚糖微球。

4. 关键实验发现与性能指标

尺寸可控性：壳聚糖微球的尺寸可在 50至200 μm范围内精确调节，生产速率可达 2 mL·h⁻¹。
高单分散性：产出的微球粒径分布极窄，在不同操作条件下的变异系数（CV）均保持在5%以内。
更宽的操作范围：相比传统微通道，该系统具有更宽的稳定操作范围（毛细管数 Ca_c在002 到 0.5 之间）。
反应效率：研究发现微通道内的高比表面积显著增强了传质，使得液滴在形成初期反应速度极快。

5. 研究意义

该工作不仅为高粘度、高单分散性聚合物微球的合成提供了有价值的指导，还有助于深入理解非牛顿粘性流体在微尺度下的分散机理。这种简便高效的方法有望推广到其他功能化复合聚合物微球的合成中。

倾斜侧通道是如何分离卫星液滴的？

研究者在主通道上设计并制造了一个倾斜角度为 45° 的侧微通道（尺寸为 400μm × 200μm），专门用于在滴落流（dripping）和喷射流（jetting）模式下分选卫星液滴。其分离的核心在于利用母液滴与卫星液滴之间的速度差。在粘性液滴形成过程中，不同尺寸的液滴在微通道内的流动速度不同，侧通道的设计正是捕捉到了这种物理特性的差异。

当生成的混合液滴流向下游时，较小的卫星液滴由于速度差异和流场引导，进入 45° 倾斜侧通道，而体积更大的母液滴则继续沿主通道前进。该设计的卫星液滴分离效率接近 100%。这种分离机制不仅显著提升了主产物的粒径均一性，还实现了卫星液滴的同步收集。这些固化后极小（<20 μm）的微粒可回收作为荧光探针或用于制备亚微米乳液，进一步拓展了微流控合成的应用场景。