摘要

生物相容水/水微囊在药物递送、医学治疗等领域具有重要应用。本文通过设计同轴微流控器件，结合数值模拟优化和流动阻力分析，实现一步法高通量可控制备大小均匀、尺寸可控、壁厚可调、生物相容的水/水微囊。采用实验研究和数值模拟相结合的方式，研究了微流控器件结构、内相流速、外相流速、外相/空气界面张力、内相/外相界面张力、内相黏度和外相黏度等参数对水/水微囊直径和壁厚的调控规律。通过微通道流动阻力分析，设计多通道平行放大微流控器件，实现尺寸均匀可控水/水微囊的高通量制备。验证了生物相容水/水微囊作为活性物质的理想载体，可以通过改变pH或溶解囊壁释放载体，进而实现活性物质的pH响应释放，为其实际应用奠定了基础。

具有核壳结构的微囊可以装载各种活性物质，通过将活性物质包裹在一个壳层内，从而保护活性物质不受外界环境的影响，并且可实现活性物质的可控释放。因此，微囊是良好的载体，适用于各种场景下活性物质的递送，在生物、医药等领域具有重要的应用价值。传统微囊制备通常采用自下而上的方法，即通过两次剪切首先得到水包油或油包水双重乳液，并以此为模板制备得到微囊。由于自下而上方法无法准确控制每个双重乳液的剪切过程，最终得到的微囊一般尺寸不均、壁厚难以控制、包裹率低、装载率低，极大地限制了微囊的广泛应用。

随着微流控技术的发展，自上而下制备微囊的技术开始得到开发。微流控技术是一种在微米尺度对微量流体进行精确操控的技术，可广泛应用于生物检测、药物分析、细胞测序、材料制备、载体设计等领域。微流控具有微型化、集成化等特征，可以对流体进行精准控制，从而精确控制剪切过程，能够一步法生成双重乳液，然后以此为模板，制备具有核壳结构的微囊。微流控技术已成功实现一步法制备各种水包油或油包水微囊，且具有尺寸均一、结构可控、壁厚可调、包裹率高、装载率大等诸多优势。目前，微流控技术制备的微囊主要是基于水油体系，即水包油（油/水）或油包水（水/油）微囊。但随着应用需求的不断增加如污水净化、液滴制备、细胞提取与分离、三维（3D）生物打印、生物相容材料制备等诸多领域，水包水（水/水）微囊开始得到越来越多的关注。但是水/水微囊与水/油微囊或油/水微囊不同，水/水微囊内外相均为水相，内外相的密度差较小，界面张力较低，较难控制形成微囊，通常需要外加电场或声场辅助乳化。此外，药物递送、医学治疗等领域的应用，在生物相容性、微囊后处理、可控制备、响应释放、大通量生产等方面对水/水微囊提出了更高的要求。因此，设计微流控器件一步法高通量可控制备生物相容水/水微囊，实现载体的可控释放，具有重要意义。

本文采用同轴微流控器件一步法制备大小均匀、尺寸可控、壁厚可调、生物相容的水/水微囊；系统研究了微流控器件结构对水/水微囊形成过程的影响规律，并进一步结合数值模拟，揭示内相和外相流速、外相/空气和内相/外相界面张力、内相和外相黏度对水/水微囊尺寸和壁厚的调控规律；通过pH刺激响应，展示了水/水微囊囊壁溶解和微囊释放过程及其内在机理；最后利用微通道流动阻力分析，设计多通道平行放大微流控器件，实现了尺寸均匀可控水/水微囊的高通量制备。本文制备的水/水微囊具有器件结构简单、操作便捷、一步法成型、通量高、微囊结构稳定、尺寸均一可控、无需后处理等优点。

1实验部分

1.1试剂与仪器

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