作為高分子材料的重要分支之一，水凝膠在微納尺寸下的可控制備及尺寸、機械性能調(diào)控一直是此研究領(lǐng)域內(nèi)的幾大難題。與晶體所具有的的有序化結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同，微納尺寸下高分子的形狀固定及調(diào)控似乎是不可能的，這將大大限制其在細胞培養(yǎng)及組織工程領(lǐng)域的實際應(yīng)用。幸運的是，微流控技術(shù)的出現(xiàn)，為研究的突破帶來的了曙光。

微流控技術(shù)合成凝膠原理簡圖

先來說說微流控：通俗的講就是利用極細（數(shù)十/百微米）的管道進行微量液體操控的技術(shù)，兩相互不相容的液體在管道內(nèi)會呈現(xiàn)有規(guī)律的間歇排列。利用這項技術(shù)，完全可以實現(xiàn)微納凝膠體系，尤其是棒狀微凝膠的可控化構(gòu)建。然而傳統(tǒng)的微流控技術(shù)往往只能助力維納尺寸凝膠的粗調(diào)控，同時實現(xiàn)（1）連續(xù)化制備；（2）硬度；（3）尺寸；（4）縱橫比及四參數(shù)之間平衡的完全可調(diào)控仍然是巨大的挑戰(zhàn)。

【創(chuàng)新突破】

針對以上問題，德國亞琛萊布尼茨互動材料研究所Laura De Laporte教授及其團隊提出通過分段照射微凝膠前驅(qū)溶液，并在噴射方式下操作微流控芯片，實現(xiàn)了等長度棒狀微凝膠的快速連續(xù)化制備。這種微流控噴射方法克服了傳統(tǒng)微流控的局限性，使得在高流速下生產(chǎn)具有精確可調(diào)長寬比的（小于通道直徑的10%），不等尺寸微凝膠，從而獲得高產(chǎn)率成為可能（見視頻）。此工作以Andreas J.D.Kruger為第一作者發(fā)表在Advanced Materials上。

高流速下微凝膠形成“魚骨”圖案

總結(jié)下來，團隊實現(xiàn)的重大突破主要集中在以下三個方面：

1. 將可控頻率光源引發(fā)聚合與微流控射流技術(shù)相結(jié)合的新型微凝膠制備方法；

2. 實現(xiàn)高長寬比、剛度可調(diào)、內(nèi)徑明顯小于孔道直徑的棒狀微凝膠的連續(xù)化制備；

3. 具有特定脈沖序列和頻率工作的光源與微流控裝置結(jié)合，利用流速及脈沖持續(xù)時間調(diào)控凝膠棒的長寬比。

【圖文解析】

圖1.a）微流控涉及的集中方法及其功能缺陷，其中灰色/紫色區(qū)為流體可訪問區(qū)；b）本文所使用的微流控裝置示意圖，主要包括具有以穩(wěn)定頻率及脈沖運行的激光/UV-LED驅(qū)動器單元和微流體芯片；c）具有連續(xù)或單脈沖模式的UV-LED的芯片上塞流微流裝置工作示意圖；d）芯片上微流噴射凝膠化裝置的示意圖。激光以連續(xù)模式運行，以產(chǎn)生直徑等于射流直徑的柔性微凝膠纖維；脈沖激光則實現(xiàn)了分離式凝膠化，從而產(chǎn)生直徑與射流直徑相當(dāng)?shù)陌魻钅z。

解析：團隊將微流控裝置與用于微流控塞流凝膠化實驗的365nm紫外發(fā)光二極管或用于噴射凝膠化實驗的405nm單模激光二極管耦合，相應(yīng)的光源安裝在芯片的玻璃側(cè)，以照射指定的通道部分。以指定濃度的PEG-DA和1wt%的LAP水溶液為內(nèi)相，以含有2wt%的ABILEM 90表面活性劑的石蠟油為外相，在“單脈沖”或者“連續(xù)”模式下，實現(xiàn)片上塞流凝膠化，并將微凝膠收集在抗壞血酸/乙醇溶液中以終止聚合反應(yīng)，從而防止芯片外的繼續(xù)凝膠化，實現(xiàn)了完全非對稱微凝膠棒的連續(xù)化高產(chǎn)量制備。

圖2.a）棒狀微凝膠無部分松弛即完全凝膠化所需的最小脈沖持續(xù)時間（紅色框）；b）微凝膠溶脹性與預(yù)聚物濃度的關(guān)系；c）利用原子力顯微鏡確定的微凝膠剛性；d）以10wt% PED-GA為例，通過改變固定Qout下Qin來改變棒狀微凝膠的縱橫比；e）不同尺寸的棒狀微凝膠（從150μm到1mm）

解析：由于微凝膠在熱力學(xué)上更容易呈現(xiàn)微球形，要將其固定在長棒形狀態(tài)，就必須盡量提高微凝膠的凝膠化程度。團隊利用單脈沖實驗，改變單脈沖的持續(xù)時間，直至交聯(lián)微凝膠保持其不等度形狀為止，此時間即為特定聚合物組成的特征凝膠化時間。除此之外，研究發(fā)現(xiàn)微凝膠的溶脹度與預(yù)聚物濃度具有緊密關(guān)聯(lián)，較低預(yù)聚物濃度產(chǎn)生的微凝膠溶脹度較高，而其剛性變?nèi)?，可由溶?/span>-干燥-再溶脹實驗得出，AFM測定的PEG-DA濃度與剛性的關(guān)系亦說明了這一點。同時，研究還發(fā)現(xiàn)，內(nèi)相流率（Q_in）與凝膠桿長之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，而這一關(guān)系與外相流率是完全相反的，這就表明，通過改變內(nèi)外相的流率或可控制微凝膠的長度。

圖3.a）激光連續(xù)照射產(chǎn)生的超長微凝膠纖維及穩(wěn)定脈沖信號在輸出通道加寬時產(chǎn)生的特征性“魚骨”圖案；b）利用射流速度v，光斑寬度z和脈沖持續(xù)時間t_on預(yù)測理論桿長；c）微凝膠剛性與預(yù)聚物濃度之間的關(guān)系；d）噴射流率，內(nèi)管直徑與流率之間的關(guān)系；e）脈沖持續(xù)時間，操作電流及微凝膠棒長度之間的關(guān)系；f）80 mA下100ms脈沖持續(xù)時間內(nèi)激光束斑的微凝膠斑；g）利用脈沖持續(xù)時間t_on改變微凝膠棒長度，并利用明場顯微鏡監(jiān)控；h）理論棒長度與實際微凝膠棒長度比較及不同持續(xù)時間下的微凝膠生成速率。

解析：為了拓寬可能形成射流的參數(shù)空間，并使射流穩(wěn)定在壓力波動等外部影響下，團隊提出通過添加2.4wt% PEG（400.000g mol-1）提高PEG-DA相的粘度，并將外相替換為Span80以降低界面張力。當(dāng)連續(xù)照射20wt% PEG-DA射流時，可產(chǎn)生比通道直徑薄六倍的無斷裂水凝膠纖維。同時，為了表征微流控射流的特性，將其速度和直徑作為流速的函數(shù)進行測量，通過改變Q_in、Q_out的比值，成功將射流直徑控制在6.8μm-20.6μm不等，而以此射流范圍所制備出的最小微凝膠直徑為8μm。此外，凝膠動力學(xué)測試顯示，脈沖持續(xù)時間與凝膠長度呈現(xiàn)線性關(guān)系，其理論計算與實際測試具有相同的趨勢，證明了利用脈沖時間調(diào)控凝膠尺寸的可行性。

【小結(jié)】

綜上，團隊提出了一種新的微流控方法，利用此裝置及方法所制備出的微凝膠棒內(nèi)徑約為通道直徑的1/10，縱橫比高達12.5，彈性模量低至3.9kPa，并可以以每秒高達100微凝膠棒數(shù)的超高生產(chǎn)率進行連續(xù)化生產(chǎn)，更重要的是，所生產(chǎn)出的棒狀微凝膠是完全非對稱的。傳統(tǒng)的合成水凝膠是通過聚合物交聯(lián)制備的，其產(chǎn)生的納米孔不利于細胞在組織工程中的滲透和遷移。而微凝膠棒可以替代納米級聚合物，為制備具有特定機械和結(jié)構(gòu)特性的結(jié)構(gòu)體提供了新的方法。此外，這種新型裝置具有高度的通用性，因此在其他研究和工程領(lǐng)域也顯示出巨大的轉(zhuǎn)移潛力。通過連接特定的化學(xué)或生物基團，微凝膠可被功能化而用于各個領(lǐng)域，例如微納和納米電子學(xué)的生物打印、致動器、熱傳導(dǎo)和電導(dǎo)，以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等。

【文章鏈接】

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903668

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