基于电流体动力学的纳米颗粒装载型功能微泡制备与多尺度模型构建

Multi-functional microbubbles display high potentials for applications in cancer or cardiovascular disease therapy; therefore, it is of great significance to study the formation of multi-functional microbubbles and develop advanced bubble preparation technologies. In this study, a novel fabrication method will be developed to prepare nanoparticle-loaded microbubbles based on coaxial electrohydrodynamic technology. The complex physics behind the fabrication method will be analyzed from chemical engineering point of view. The flow behaviors, dispersion and transport of micro-fluid under an external electric field will be investigated. We aim to build a comprehensive multi-scale model to simulate the microbubble formation process, achieving guidance and optimization of microbubble production. In addition, we aim to build both qualitative and quantitative relations among “technological condition for microbubble preparation”, “microbubble size/structure/composition” and “microbubble function/property” to achieve the precise control of bubble generation. This project will not only promote the development of multi-functional microbubble fabrication technologies but also broaden applications of the fundamentals of chemical engineering transport processes in interdisciplinary areas.

多功能微泡在癌症和心脑血管等重大疾病治疗中展现了广阔的应用前景，研究多功能微泡的构筑及发展先进的制备技术具有重大意义。本项目旨在发展基于同轴电流体动力技术构筑纳米颗粒装载型功能微泡的新方法，从化学工程角度剖析制备技术背后的复杂物理过程，研究制备过程中微流体在外电场下的流动、分散和传递等基本规律，预期构建完备的多尺度模型模拟微泡形成过程，用于指导微泡制备与优化工艺过程，并结合实验研究获得微泡“制备工艺”-“尺寸结构组成”-“产品功/性能”之间的定性、定量关系，实现功能微泡的精确可控制备，归纳同轴电流体动力制备复杂结构功能微泡的调控规律。本项目将不仅推动功能型微泡制备技术的进一步发展，同时还将拓宽化工传递过程基础知识在新领域的应用范围。

考虑到功能化微泡的广阔应用前景，以及电流体动力制泡法的优越性，根据实际功能需求和应用，发展基于电流体动力学的多功能微泡可控制备技术，以达到对微泡功/性能的精确调控，无论从科学角度上还是技术层面上都具有突出的意义。本项目旨在发展基于电流体动力技术构筑纳米颗粒装载型功能微泡的新方法，从化学工程角度剖析制备技术背后的复杂物理过程，研究制备过程中微流体在外电场下的流动、分散和传递等基本规律，构建完备的多尺度模型模拟微泡制备过程，用于指导微泡制备与优化工艺过程，并结合实验研究获得微泡“制备工艺”-“尺寸结构组成”-“产品功/性能”之间的定性、定量关系，实现功能微泡的精确可控制备，归纳同轴电流体动力制备复杂结构功能微泡的调控规律。.根据项目计划，经过三年的工作，项目组完成了如下工作：（1）成功开发了基于电流体动力雾化技术的功能纳米颗粒制备方法，并构建了电流体动力多尺度模型，剖析了电场分布规律和颗粒运动规律，用于指导过程优化；（2）实现了纳米颗粒装载型微泡的构筑，总结了影响纳米颗粒装载型微泡稳定性的关键因素及影响规律；（3）建立了微纳颗粒-非常规流体在微通道中流动与分散的数值模型，为完善通用的多尺度模拟框架的构建提供的支撑；（4）基于（1）-（3）的实验与模拟基础，建立了功能微泡多尺度模拟框架，为功能微泡（中空微球）的制备与过程优化提供了指导。此外，基于该技术，指导制备了多类具有中空结构的微球，对开发新型功能材料产生了积极的促进作用。.本项目将不仅推动功能型微泡制备技术的进一步发展，同时还将拓宽化工基础知识在新领域的应用范围。