液滴微流控技术

微流控技术是一种可以在微纳米尺度上处理和操控少量液体(10^–9−10^–18L)系统的技术，基于微流控技术的装置称为微流控芯片，具有微型化、集成化等特点。

液滴微流控是指通过微通道内互不相容的多相流体生成离散的液滴，并对其进行操控。

基于微流控技术生成的液滴具有单分散性好、无交叉污染、可重复性高等优点，广泛应用于生物、化学、物理等多个学科领域，成为微流控领域的一个重要分支。

液滴生成方法

生成液滴的方法和技术有很多种，根据液滴生成过程中是否施加外部能量，可以分为被动法和主动法。

被动法生成液滴，是指利用不同的微通道结构使不混溶的分散相和连续相流体在通道连接处相遇，通过调节通道结构、两相流速大小及流速比，可以在通道连接处下游生成大小可控的液滴。

根据通道几何形状的不同，被动法生成液滴又可以分为T型通道法(T-junction)、流聚焦法(flow-focusing)和共轴流法(co-flow)。

与T型结构和同轴结构相比，流动聚焦型结构将液滴限制在通道中心处，避免液滴与壁面发生剪切，液滴生成过程形态更加稳定，因此在液滴微流控的研究中应用最为广泛。

主动法生成液滴是指在液滴生成过程中，通过局部施加电场力、磁场力和离心力等外力控制液滴的生成。

液滴微流控技术发展简述

在芯片制造方面，由于新材料的不断引入和技术的进步，微流控芯片经历了由硅、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)到纸基材料的变化；

理论原理研究方面，液滴微流控技术的应用受到关注，关于此方向的液滴生成动力学的研究也随之更多，关于液滴的生成原理也有更深入的研究发展，促进了微流控系统新兴设计的发展。

应用方面，随着理论和技术的进步，液滴微流控在微反应器、组织工程与再生医学、药物输送、人工细胞、肿瘤免疫疗法和单细胞研究等诸多领域均占据了重要的一席。

基于液滴微流控技术的应用研究

细胞凝胶微球

关于细胞凝胶微球的研究较为广泛，应用的的领域也较多，本文重点介绍此方面。

凝胶微球的制备

材料

液滴微流控技术能够以高通量的方式制备大小、成分和功能可控的单分散液滴，这些液滴可以封装一种或多种细胞，作为模板来制备具有特定理化性质且能够抗剪切应力的细胞凝胶微球。

用来进行封装细胞的水凝胶材料种类繁多，主要可以分为两大类：

1. 天然高分子，例如纤维蛋白原和多肽，具有良好的生物相容性和可降解性；
2. 合成聚合物，包括聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酸(PAA)和聚乙烯醇(PVA)等，在机械性能和生化信号的可控性方面具有优势。

实际应用中通常采用混合水凝胶，结合二者的优势，能够为细胞提供可控的微环境和必要的锚定位点，并调控细胞的生命活动。

制备方法

在典型的细胞封装过程中，含有细胞的水凝胶前体溶液经过连续相的剪切，形成一个个单分散液滴，通过触发交联，形成细胞凝胶微球。

根据封装细胞的水凝胶材料的不同，制备细胞凝胶微球的交联方式各异，主要包括光交联、离子交联和温度诱导交联等。

细胞凝胶微球的应用背景

• 人体细胞环境

人体内的细胞存在于由蛋白质和多糖组成的复杂三维微环境—ECM中，现有的细胞培养大多是建立在二维培养皿培养的基础上，这种二维培养难以真实地反映细胞的体内微环境。

• 水凝胶的特点

水凝胶具有高含水量、生物相容性、降解性和多孔性等与天然ECM相似的独特性能，水凝胶在生物医学领域被广泛应用。

在水凝胶中加入适宜的生长因子，构建能够控制细胞生长、增殖和分化的人工ECM，生长于其中的细胞可以很好地与包裹它的水凝胶相互作用，将此作为体外三维细胞培养平台具有极好的前景。

细胞凝胶微球应用实例

• 器官模型

人体器官是由多种组织构成的，为了模拟人体器官，需要构建不同类型的细胞在人工ECM 中呈空间分布的三维模型。利用基于液滴微流控的凝胶微球封装不同类型的细胞，有望构建体外组织或器官模型。例如肺芯片、肝芯片及肾芯片等。

• 细胞培养

细胞-细胞相互作用会显著影响细胞行为，因此构建单细胞共培养体系，对于研究单个细胞之间的细胞-细胞相互作用具有重要的意义，而液滴微流控是有效构建单细胞共培养体系的方法之一。例如3D细胞培养芯片。

蛋白质结晶

结晶是制药工业中广泛应用的分离纯化技术。随着生物发酵技术的进步，蛋白质药物得到了快速发展。

与传统的小分子药物相比，蛋白质药物具有良好的生物相容性和高效性，在治疗癌症、代谢性疾病和自身免疫性疾病方面显示出巨大潜力。

为了能够进一步降低蛋白质药物的生产成本，结晶作为色谱纯化的接替手段，受到广泛关注。

与小分子或离子相比，蛋白质结晶是一个复杂的物理化学过程。

蛋白质分子体积大，扩散速率低，聚集倾向弱，结晶过程比一般小分子化合物要更为缓慢。

此外，许多外部因素，如蛋白质浓度、温度、pH、沉淀剂、缓冲液和其他环境因素，使蛋白质的结晶过程更加复杂。

因此，如何有效提高蛋白质结晶的产率和缩短诱导时间是蛋白质结晶研究中的一个挑战。

微生物岩土工程

生物矿化是一种常见的由生物介导生成矿物的自然现象，一些微生物可以通过与环境相互作用沉积矿物质来参与地球系统的生物地球化学循环。

将这类微生物应用到土体中，通过改变其周边物理化学条件来催化矿物在土颗粒间沉淀，可以填充土体孔隙并以“桥梁”作用将松散土颗粒胶结在一起，实现“固化剂”的效果，达到良好的工程目的。

相较于传统土木材料，微生物矿物对环境影响小、反应过程较温和、能耗低、工程扰动小，具有明显的应用优势。因此，液滴微流控技术可被用于土体加固及修复工程。