液滴形成中的渗透效应-以微流控双水相体系为模型的研究

Osmotic effect between two immiscible phases is used to be negligible in the study of multi-phase fluid dynamics, considering the solubility of one solvent phase in the other phase is usually quite low. However, there are some exceptions in the partially miscible two-phase systems, where the osmotic effect cannot be neglected. Due to the non-zero solubility of solvent, the dispersed phase is inevitably undergoing a certain degree of osmosis/ diffusion/ dehydration during the process of droplet formation, yet the existing theory of jet breakup and droplet formation fails to address these new conditions. The purpose of this study is to broaden the scope of existing theory on the instability of an osmotic jet and formation of droplets. A model system of aqueous two-phase system is investigated on the platform of microfluidic devices. This system enables the variation in osmotic pressure in a well-controlled manner, thus we can systematically study the osmotic effect. We also intend to couple the mechanical vibration and the electric field to hydrodynamic forces, developing new emulsification technique for liquid/liquid system with low interfacial tension. In sum, our input will lead to a higher degree of understanding towards schematics of droplet formation, a better control over the formation of droplet, and hence would open up new opportunity for the field of osmosis triggered droplet formation.

目前的射流断裂及液滴生成理论只适用于完全非互溶的液液两相体系，此时渗透效应被忽略不计。对于存在显著渗透效应的部分不互溶的液液两相体系，虽然静态条件下的两相互渗透现象已被人们所知，但其对射流断裂及液滴生成机制尚未被研究。 本项目研究的主要目的是将现有液滴形成理论拓展到部分不互溶的液液两相体系中。我们将以微流控双水相体系为模型，以微流控装置为平台，通过定量改变两相间的渗透压，研究其对射流不稳定性、射流断裂和液滴生成的影响。我们还将考察存在溶质补偿扩散、外场螯合（机械振动、电场驱动）时等的液滴形成机制，开发适用于低界面张力体系的液滴乳化技术。综上所述，本项目以拓展液滴生成理论的范围为研究目标，深化液滴生成机制的科学理解，为优化液滴形成过程提供新的科学思路和技术手段。

液滴形成与渗透效应作为两个独立的科学研究领域，现已得到较为全面、深入的理解及应用。然而，二者相结合的理论及应用尚未达到广泛的认识，结合液滴形成与渗透效应的研究仍是一个全新的领域。本研究中，我们以微流体技术为主要手段，以双水相体系作为研究对象，系统研究了渗透效应存在条件下的液滴形成过程，并基于渗透效应提出了稳定超低界面张力双水相乳液液滴的策略。项目的总体研究工作如下：首先，总结了平衡态下微流体中射流断裂机制及液滴形成规律，探究了渗透效应存在条件下液滴的形成及演化机理，利用了渗透压实现多层复杂液滴的制备；随后，引入机械振动加快了乳液液滴的产生速率，促进了液滴形成，验证了高频率的机械振动可在双水相界面产生波动并自发破裂成尺度很小的液滴；进一步的，基于渗透效应，引导了蛋白质纳米纤维自发迁移到双水相界面形成三维网络框架结构，实现了超低界面张力双水相乳液液滴稳定制备；最后，将上述理论技术应用于医疗胶囊、蛋白质微颗粒及微纤维制备，极大的扩展了以双水相乳液液滴为模板的生物医学应用。通过本项目研究，我们累计发表SCI论文29篇（其中2篇影响因子大于10），申请国际发明专利3项，应邀参加国际国内会议十余次，培养博士研究生5名（3名已取得博士学位），硕士研究生2名（1名已取得硕士学位），完成了课题的既定研究任务。