В данной работе изучен процесс образования полимерных капель в микрофлюидном устройстве Х-типа методом одностадийного эмульгирования двух несмешивающихся фаз, из эмульсии которых путем удаления остаточного растворителя на роторном испарителе формируются полимерные наночастицы. Было проведено математическое моделирование процесса образования полимерных капель в каналах микрофлюидного устройства Х-типа с использованием метода конечных разностей или конечных объемов в пакете программ вычислительной гидродинамики ANSYS Fluent 16.1. Данный метод решает единый набор уравнений сохранения для обеих фаз, отслеживая объемную долю сплошной и дисперсной фаз во всей расчетной области. Приведено математическое описание гидродинамического режима потоков сплошной и дисперсной фаз внутри микрофлюидного устройства. Модель учитывает поверхностное натяжение на границе двух фаз и смачиваемость стенок каналов. Кроме того, изучен процесс формирования полимерных наночастиц из образованной в микрофлюидном устройстве эмульсии капель методом испарения органического растворителя. Приведены расчеты размера наночастиц с учетом размера капель и коэффициента агрегации А, учитывающего коалесценцию между получаемыми в микрофлюидном устройстве полимерными каплями. Было проведено сравнение результатов эксперимента и моделирования и установлена относительная ошибка вычисления модели. Приведены результаты расчета размера наночастиц при различных вариантах соотношения расхода потоков дисперсной и сплошной фаз. На основании вычислительного эксперимента были определены значения расходов сплошной и дисперсной фаз, соотношение которых приводит к образованию наночастиц с размером, лежащим внутри требуемого диапазона. Разработанная математическая модель позволяет прогнозировать образование полимерных капель и, в дальнейшем, наночастиц необходимого размера.

1. Tian C., Tu Q., Liu W., Wang J. Recent advances in microfluidic technologies for organ-on-a-chip // TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2019. V. 117. P. 146–156.

2. Maurice A., Theisen J., Gabriel J.C.P. Microfluidic lab-on-chip advances for liquid–liquid extraction process studies // Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2020. V. 46. P. 20–35.

3. Sohrabi S., Moraveji M.K. Droplet microfluidics: Fundamentals and its advanced applications // RSC Advances. 2020. V. 10. № 46. P. 27560–27574.

4. Ding Y. et al. Recent advances in droplet microfluidics // Analytical Chemistry. 2019. V. 92. № 1. P. 132–149.

5. Abedini-Nassab R., Pouryosef Miandoab M., Şaşmaz M. Microfluidic synthesis, control, and sensing of magnetic nanoparticles: A review // Micromachines. 2021. V. 12. № 7. P. 768.

6. Lepeltier E., Bourgaux C., Couvreur P. Nanoprecipitation and the “Ouzo effect”: Application to drug delivery devices // Advanced Drug Delivery Reviews. 2014. V. 71. P. 86–97.

7. Moinard-Checot D., Chevalier Y., Briançon S., Beney L. et al. Mechanism of nanocapsules formation by the emulsion–diffusion process // Journal of Colloid and Interface Science. 2008. V. 317. № 2. P. 458–468.

8. Nair L.S., Laurencin C.T. Polymers as biomaterials for tissue engineering and controlled drug delivery // Tissue Engineering I. Berlin, Heidelberg: Springer, 2005. P. 47–90.

9. Kietzke T., Neher D., Landfester K., Montenegro R. et al. Novel approaches to polymer blends based on polymer nanoparticles // Nature Materials. 2003. V. 2. № 6. P. 408–412.

10. Staff R.H., Lieberwirth I., Landfester K., Crespy D. Preparation and characterization of anisotropic submicron particles from semicrystalline polymers // Macromolecular Chemistry and Physics. 2012. V. 213. № 3. P. 351–358.

11. Staff R.H., Gallei M., Mazurowski M., Rehahn M. Patchy nanocapsules of poly(vinylferrocene)-based block copolymers for redox-responsive release // ACS Nano. 2012. V. 6. № 10. P. 9042–9049.

12. Karnik R., Gu F., Basto P., Cannizzaro C. et al. Microfluidic platform for controlled synthesis of polymeric nanoparticles // Nano Letters. 2008. V. 8. № 9. P. 2906–2912.

13. Chen Z., Kheiri S., Young E.W., Kumacheva E. Trends in droplet microfluidics: from droplet generation to biomedical applications // Langmuir. 2022. V. 38. № 20. P. 6233–6248.

14. Seeto W.J., Tian Y., Pradhan S., Minond D. et al. Droplet Microfluidics-Based Fabrication of Monodisperse Poly(Ethylene Glycol)–Fibrinogen Breast Cancer Microspheres for Automated Drug Screening Applications // ACS Biomaterials Science & Engineering. 2022. V. 8. № 9. P. 3831–3841.

15. Olenskyj A.G., Feng Y., Lee Y. Continuous microfluidic production of zein nanoparticles and correlation of particle size with physical parameters determined using CFD simulation // Journal of Food Engineering. 2017. V. 211. P. 50–59.

16. Bhatti M.M., Marin M., Zeeshan A., Abdelsalam S.I. Recent trends in computational fluid dynamics // Frontiers in Physics. 2020. V. 8. Art. 593111.

17. Einarsrud K.E. et al. Applied Computational Fluid Dynamics (CFD) // Processes. 2023. V. 11. № 2. P. 461.

18. Merkulova M.A. et al. Easy size control of polymer nanoparticles obtained by emulsification–evaporation technique in a microfluidic reactor // Mendeleev Communications. 2021. V. 31. № 6. P. 899–901.

19. Ekanem E.E. et al. Structured biodegradable polymeric microparticles for drug delivery produced using flow focusing glass microfluidic devices // ACS Applied Materials & Interfaces. 2015. V. 7. № 41. P. 23132–23143.

20. Staff R.H., Schaeffel D., Turshatov A., Donadio D. et al. Particle Formation in the Emulsion-Solvent Evaporation Process // Small. 2013. V. 9. № 20. P. 3514–3522.

21. Desgouilles S., Vauthier C., Bazile D., Vacus J. et al. The design of nanoparticles obtained by solvent evaporation: a comprehensive study // Langmuir. 2003. V. 19. № 22. P. 9504–9510.