2结果与讨论

2.1同轴微流控器件的设计和水/水微囊的制备

为了实现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，需要设计同轴微流控器件，如图1（A）所示。内相黄原胶水溶液由内管注入微流控器件；外相海藻酸钠水溶液，由外管注入微流控器件。内相在外相的剪切下形成液滴，同时外相在重力作用下脱离管口生成水包水的水/水微囊，并进一步通过钙离子交联海藻酸钠水凝胶网络，如图1（B）所示。由于微流控器件对内外相的精准调控，水/水微囊在光学显微镜下具有清晰稳定的核壳结构图1（C），平均尺寸（D）为（2.83±0.09）mm图1（D）。该方法制备水/水微囊具有器件结构简单、操作便捷、一步法成型、微囊尺寸均一可控、核壳结构稳定、无需后处理等优点图1（E）。

2.2微流控器件结构对水/水微囊成型过程的影响

为了深入研究微流控器件结构对水/水微囊成型过程的影响规律，分别制备了内管管口内缩、内外管管口平齐、内管管口伸出、内管管口内缩外管管口不拉伸等4种同轴微流控器件，并通过系统改变内相和外相流速，判断水/水微囊的成型情况，最终确定水/水微囊的制备相图，分别如图2（A）——（D）所示。水/水微囊形成的关键是内相在外相的剪切下形成液滴，同时外相在重力作用下脱离管口生成水/水微囊。由于内外相均是水溶液，内相/外相界面张力较小，并且流体黏度较大，内相不容易在外相的剪切下形成液滴，进而被外相包裹形成水/水微囊，因此外相流速增大，对内相剪切加强，更易形成水/水微囊。

此外，内管管口内缩和外管管口拉伸，有利于外相在外管管口处通过流动聚焦剪切内相，因此内管管口内缩和外管管口拉伸的同轴微流控器件制备水/水微囊内核居中，壁厚均匀，且具有较好的稳定性和较大的制备区间。当外管管口不拉伸时，外相对内相的剪切作用减弱，其水/水微囊的制备区间变窄，且在较大流速区间内，只能得到变形的水/水微囊，如图2（D）所示。通过实验观察，若无特别说明，后续均采用内管管口内缩和外管管口拉伸的同轴微流控器件制备水/水微囊。

2.3内相/外相流速对水/水微囊直径和壁厚的影响

微流控技术的优点在于对内相/外相流速及其乳化过程的精准控制。因此可以调节内相/外相的流速，研究其对水/水微囊直径和壁厚的影响，如图3（A）和（B）所示。当内相流速为40 mL/h，外相流速为20 mL/h时，水/水微囊的直径和壁厚分别为2.92和0.06 mm，尺寸偏差小于5%，装载率（水核体积/微囊体积）高达87%.由于水/水微囊直径的大小主要取决于微囊从微流控器件管口脱落的过程，与外相/空气界面张力和内外相重力的共同作用有关，界面张力使微囊悬挂在管口，重力使微囊脱离管口，可以用邦德数Bo（重力/界面张力）描述。由于界面张力和重力均与内相/外相流速无关，水/水微囊的直径基本不随内相/外相流速变化。在水/水微囊直径不变的情况下，其壁厚的大小主要取决于内相与外相的比例。因此内相流速增加或外相流速减小，都将造成水/水微囊壁厚减小。

2.4水/水微囊形成过程的数值模拟

在微流控器件中，水/水微囊的形成受内相/外相流速、黏度、界面张力等因素影响。为了进一步验证实验结果和指导实验设计，通过参照实验流体物性参数，对水/水微囊形成过程进行了数值模拟，如图4（A）所示。随着悬挂在管口处的液滴不断长大，重力逐渐增大，最终克服界面张力，出现颈缩现象，液滴脱离管口，形成水/水微囊。

数值模拟与实验结果具有较好的一致性，数值模拟内相/外相流速对水/水微囊直径和壁厚的影响，得出了与实验数据一致的规律，即水/水微囊的直径基本不随内相/外相流速的变化而变化，而水/水微囊壁厚随内相流速增加或外相流速减小都将减小，如图4（B）和（C）所示。与实验相比，数值模拟可以更系统地调节各个参数，如外相/空气界面张力、内相/外相界面张力对微囊直径和壁厚的影响。随着外相/空气界面张力的增加，水/水微囊直径成比例增加，这是由于外相/空气界面张力使微囊悬挂在管口，重力使微囊脱离管口，当外相/空气界面张力增加，需要的重力相应增加，造成水/水微囊直径增加。当内相/外相界面张力增大时，水/水微囊直径略有增加。

数值模拟还研究了内相黄原胶水溶液浓度和外相海藻酸钠水溶液浓度对水/水微囊直径和壁厚的影响规律，如图4（F）和（G）所示。内相黄原胶水溶液属于剪切变稀非牛顿流体，其黏度随剪切速率的增大而减小，因此不同浓度的黄原胶水溶液具有相似的剪切变稀流变曲线，对水/水微囊直径和壁厚的影响较小。外相海藻酸钠水溶液也是一种非牛顿流体，其黏度随浓度增大而增大。当海藻酸钠溶度增加时，包裹内相难度增大，水/水微囊的生成开始伴随内相卫星液滴的出现，造成微囊壁厚增加。