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• 聚合物微球因其具有吸附性强、比表面积大、可作为功能型添加剂载体等特点，常被用作功能高分子材料并因此受到很大关注^{[1, 2]}。其中，微米级单分散聚合物微球在标准计量、免疫医学、高效色谱、化妆品、涂料、塑料加工、液晶衬垫、微电子等领域都有着广泛的应用^{[3, 4]}。因此，聚合物微球的制备，尤其是多功能、高性能聚合物微球的合成已成为高分子研究领域的重点方向之一。

  一般合成聚合物微球的方法有悬浮聚合(Suspension polymerization)和乳液聚合(Emulsion polymerization)^[5]。制备过程中，需要引入外部机械力来促进液体分散，以确保几微米到几十微米粒径微球的合成^[6]。采用这些方法虽然能够有效地进行大规模的生产，但一般情况下只能得到球形的、界面光滑的微球，且所得聚合物材料尺寸的均一性与过程的可控性难以得到保证。因此，寻找一种简单的制备不同形貌聚合物微球的方法一直是近阶段的目标。

  近阶段将聚合物限制在液滴中，基于微流控技术通过溶剂-蒸发作用制备出目标微球的简单方法越来越多地受到人们关注^[7~9]。该方法不仅可以得到单分散性较好的微球，还可以通过改变装置中微通道的几何结构，结合适当的流速比，生成如圆盘状、椭球状、棒状等新颖形貌的聚合物微粒^[10~12]。并且，微通道内几何结构的设计具备可操作性强、简单灵活等特点^{[13, 14]}。

  鉴于此，我们采用简单的聚焦型(Flow-Focusing)微流控芯片，基于调控表面活性剂的亲水亲油平衡值(Hydrophilic lipophilic balance，HLB)，从而制备具有拓扑结构的磁性聚合物微球。基于这种调控手段制备的具有表面拓扑结构的磁性聚合物微球，预测其将在固定化酶、三维细胞培养和药物输运等领域发挥潜在的功能。

  图 1

  

  图 1.  聚焦型微流控芯片制备液滴示意图

  Figure 1.  Schematic diagram of preparing droplets via flow-focusing microfluidic chip

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  1.   实验部分

  1.1   仪器与试剂

  微流控芯片、四氧化三铁纳米粒子(4nm)均由实验室自行制备；聚苯乙烯(PS，M_n=260000)购自北京百灵威科技有限公司；Span60(M_w=430.6)、聚乙烯醇(PVA，M_w=44.05)均购自阿拉丁试剂有限公司；十二烷基硫酸钠(SDS，86%)购自国药集团化学试剂有限公司；二氯甲烷(分析纯)购自北京化工厂；拉针仪(P1000，Sutter Instrument Co. USA；注射泵(PHD2000 Series，Harvard公司；光学显微镜(Olympus公司)；S-4800型扫描电镜(SEM，Hitachi公司)。

  1.2   初始液滴及其液滴衍生物的制备

  以二氯甲烷为溶剂，配制浓度为13.4mg/mL的PS的二氯甲烷溶液备用；同时，配制14.8mg/mL的Fe₃O₄纳米粒子的二氯甲烷溶液和浓度为1mg/mL的SDS水溶液备用。选取1mL PS的二氯甲烷溶液和1mL Fe₃O₄的二氯甲烷溶液于烧杯中超声分散，用玻璃注射器抽取以作为分散相；同理，用塑料注射器吸取90mL SDS作为连续相。之后将注射器的接口与微流控芯片的各个接口相连接。设置注射泵中分散相流速为50μL/min，连续相流速为6mL/min。

  启动微流控装置时，首先打开泵中控制连续相的开关，目的是排出管内的相关杂质。待其流速稳定后，启动分散相控制开关。之后的两相分别从中间通道和两侧通道进入交汇点，通过剪切聚焦作用后变为液滴。最后经圆柱形玻璃管导入培养皿中收集保存。于显微镜下观察液滴溶剂-蒸发作用的演变过程，待溶剂挥发完毕可获得单分散的液滴衍生物微球。

  相同条件下，将SDS水溶液分别替换为同等浓度的PVA和Span 60水溶液进行相同操作，以观察不同类型的液滴演变过程。其中，SDS溶液的HLB值为40，PVA的为13.6，Span 60的为4.7^[15~17]。

  1.3   目标微球的SEM表征

  选取一定量目标微球置于导电胶上，经彻底自然干燥后备用。在扫描电镜(SEM)成像之前，需对样品作业表面涂上一层薄金(14nm)，以便更好地表征其形貌。测试时需在加速电压为15kV条件下，利用SEM仪器来对微球的形貌、尺寸等特性进行分析。

  1.4   方法的普适性

  相对于SDS、PVA等小分子表面活性剂，Fe₃O₄作为表面活性剂的突出优点在于它们具有明显更强的界面吸附性能，以改变含聚合物液滴的界面性质。在这里，为了进一步说明方法的普适性，选择3种含不同Fe₃O₄纳米粒子量的PS二氯甲烷溶液，令其作为分散相。并在相同PVA水溶液作为连续相的情况下，对微球作进一步研究。

  2.   结果与讨论

  2.1   液滴在溶剂-蒸发作用下的演变过程

  以图 2中a1~a6组图为例，光学显微镜下初始液滴的表面趋于光滑且相对均匀(a1)。随着液滴中二氯甲烷溶剂的挥发可观察到液滴的体积在逐渐减小，同时液滴的内部会有部分弥散性气泡生成(a2)。最后当溶剂完全挥发后，液滴尺寸不再变化。其形貌表现为对称轴处有一条“光路”的黑色椭球状形貌，即生成的SDS下的液滴衍生物微球(a6)。因此，这种微球是通过自发的物理过程产生的。由此可见，通过简单的一步微流控技术，就可以制备单分散的聚合物微球。

  图 2

  

  图 2.  光学显微镜图像显示溶剂蒸发期间不同乳液液滴的演变(连续相的组分分别为，a1~a6：SDS，b1~b6：PVA，c1~c6：Span60)

  Figure 2.  Optical microscopy images showing evolution of the different emulsion droplet during solvent evaporation (The components of the continuous phase are SDS, PVA, and Span 60)

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  在(图b1~b6)PVA下，液滴的演变过程类似于SDS过程。即，液滴体积呈现逐渐变小的过程，但却在b2处内部有弥漫性黑点的出现。随着溶剂的进一步挥发，在b5处的液滴内部出现一定数量的细小气泡。随着时间的延长，其内部的气泡会逐渐破碎，液滴也逐渐变形，直至最后形成的b6的形貌，即上表面呈现光滑的表面，同时下表面表现为一定褶皱态的拓扑结构。而Span 60下(图c1~c6)，液滴的演变过程没有什么特殊变化，即呈现体积逐渐变小和最后类似于椭球的形貌。

  综上，在微流控制备目标材料的过程中，初始液滴(a1、b1、c1)演变成最终稳定的液滴衍生物(a6、b6、c6)需要1h的溶剂挥发过程。同时，表面活性剂的选择能够调控液滴的演变过程。

  2.2   微球形貌的SEM图像

  微球的SEM表征结果见图 3。图 3(a)、(d)中微球整体呈表面平整的状态，同时具备明显的不对称性，即其对称轴左右两侧的半球尺寸差异较大。在图 3(b)、(e)中，微球的上下表面呈现出一个极端分化的形貌，即一侧表面光滑平整，另一侧表面呈现出一定程度的纹理拓扑形貌。图 3(c)中微球的表面结构发生了较明显的变化，整体外观呈现出不平整的形态，且其内部随机分布着大小不均匀的小孔(高分辨率图像如图 3(f))。

  图 3

  

  图 3.  由Fe₃O₄和PS制备的在不同连续相液滴衍生物的SEM图像(a~c)和高分辨率SEM图像(d~f)

  连续相的组分分别为：SDS (a, d)，PVA (b, e)，Span60 (c, f)

  Figure 3.  SEM image (a~c) and high resolution SEM image (d~f) of droplet derivatives in different continuous phases prepared via Fe₃O₄ and PS

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  2.3   方法的普适性

  为了进一步说明该策略的通用性，通过在液滴中掺杂3种不同浓度的Fe₃O₄纳米粒子，对微流控技术制备得到的微球进行SEM表征。图 4(a)中样品表现为具有相对平整表面的椭球型球体，同时在该球体的尾端带有一些褶皱结构。图 4(b)中的材料显示出类似圆板状的形貌，且其内部呈现出一定螺旋状细纹。图 4(c)中的材料其核心为一个明显凸起的同时具有一定粗糙度的球型结构，且在球型结构的四周包围着薄膜状的褶皱结构。

  图 4

  

  图 4.  不同Fe₃O₄质量比下微球的SEM图像

  分散相中的Fe₃O₄ (wt)%：(a) 1.3%，(b) 2.0%，(c)2.5%

  Figure 4.  SEM images of microspheres with different Fe₃O₄ mass ratios

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  由图 5可知，通过改变分散相的组成，向有机相中添加磁性纳米粒子，所制备出的目标材料能够迅速被磁铁吸附，由此可证明该材料具备一定的磁响应性。因此，该方法可以通过分散不同的功能物质来产生功能型聚合物微粒，以满足不同情况下的需求。

  图 5

  

  图 5.  微球在外部磁场下的磁响应性

  Figure 5.  Magnetic responsivity of the microspheres under an external magnetic field

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  3.   机理探究

  基于表面活性剂的不同HLB值，为了考察溶剂-蒸发作用诱导不同形貌聚合物微球的形成，必须了解这些系统中发生的基本物理过程。首先将聚合物分散在溶剂中形成分散相，然后将通过微流控互不混溶相之间的相互作用，将分散相剪切为球型液滴分散在连续相里，最后于常温下以单个液滴为单位，进行溶剂-蒸发作用。并且随着液滴尺寸的减小，聚合物浓度在液滴中增加，直到达到在液滴表面处发生聚合物结构成核的临界尺寸。在此阶段，液滴内部的溶剂扩散明显减慢。进一步除去溶剂使液滴固化，得到聚合物颗粒。

  其中，控制微粒形状的主要因素可归纳为：(1)聚合物本身所具备的性质；(2)功能组分(如表面活性剂的HLB值等)可以结合聚合物微粒以产生特殊结构。由于此次选择的聚合物性能简单，所以试验中较大的影响因素在于功能组分对液滴的影响。在这里，表面活性剂作为连续相，优先通过吸附到油相液滴界面以降低油相和水相之间的界面张力，并在油水之间的界面处通过诱导作用来指导液滴内的高分子链的组装。

  因此，不同HLB值的表面活性剂与聚合物的相互作用对于确定在液滴界面处形成的组装结构是至关重要的。同时，表面活性剂不仅稳定颗粒表面，而且还影响内部纳米结构和整体颗粒形状。

  4.   结论

  本文通过调控表面活性剂的HLB值，基于微流控技术和溶剂-蒸发作用，制备得到了具有拓扑结构的磁性聚合物微球。结果表明，通过调控表面活性剂的HLB值，可以影响液滴的演变过程及其固化后微球的形貌；同时，基于溶剂-蒸发作用，不同浓度的磁性Fe₃O₄纳米粒子能够促进不同形貌微球的形成，并赋予微球一定的磁响应性。综上所述，该策略将对不同形貌聚合物微粒的制备及其生物医学等领域的应用具有重要意义。

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  图 1  聚焦型微流控芯片制备液滴示意图

  Figure 1  Schematic diagram of preparing droplets via flow-focusing microfluidic chip

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  图 2  光学显微镜图像显示溶剂蒸发期间不同乳液液滴的演变(连续相的组分分别为，a1~a6：SDS，b1~b6：PVA，c1~c6：Span60)

  Figure 2  Optical microscopy images showing evolution of the different emulsion droplet during solvent evaporation (The components of the continuous phase are SDS, PVA, and Span 60)

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  图 3  由Fe₃O₄和PS制备的在不同连续相液滴衍生物的SEM图像(a~c)和高分辨率SEM图像(d~f)

  Figure 3  SEM image (a~c) and high resolution SEM image (d~f) of droplet derivatives in different continuous phases prepared via Fe₃O₄ and PS

  连续相的组分分别为：SDS (a, d)，PVA (b, e)，Span60 (c, f)

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  图 4  不同Fe₃O₄质量比下微球的SEM图像

  Figure 4  SEM images of microspheres with different Fe₃O₄ mass ratios

  分散相中的Fe₃O₄ (wt)%：(a) 1.3%，(b) 2.0%，(c)2.5%

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  图 5  微球在外部磁场下的磁响应性

  Figure 5  Magnetic responsivity of the microspheres under an external magnetic field

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