人多能干细胞的微胶囊包封技术在组织工程、药物筛选及细胞治疗等生物医学应用中具有重要价值。微胶囊的作用多元，既能促进人多能干细胞聚集形成类球体，又能实现其体外规模化分化，还可在体内为细胞提供免疫隔离保护。目前已有多种细胞包封策略被报道，但胶囊的结构复杂度与制备通量之间往往难以兼顾。

鉴于此，梅奥诊所联合多单位开发了一种基于3D打印技术的高通量微流控设备，通过集成多喷嘴并行结构与主动频率调控，可在维持核壳结构微胶囊高均一性的同时将制备通量提升至1825 Hz，并成功实现了多种干细胞的高效封装与长期多能性维持。相关研究以“A 3D-Printed Compact Multi-Nozzle Microfluidic Device for Scalable Microencapsulation of Pluripotent Stem Cells”为题目，发表于期刊《Advanced Healthcare Materials》。

本文要点：

1、采用DLP 3D打印技术制备装置，相比传统PDMS软光刻技术，将设计到制备的周期缩短至2小时（单次可打印46个装置），装置占地面积缩小5倍；通过3D空间排布流体网络，打造出同轴流道结构，能稳定生成水凝胶壳-水相核的核壳微胶囊，还可通过调节流速、频率精准控制胶囊尺寸和壳层厚度。

2、单喷嘴装置微胶囊生成速率最高达181 Hz，在此基础上设计的10喷嘴并行装置，总生成速率提升至1825 Hz，理论上11-16分钟即可包封10亿个细胞，满足临床治疗的细胞量需求；引入电磁螺线管执行器实现主动频率调制，可独立于溶液粘度和流速控制液滴生成，保证微胶囊的均一性。

3、该装置成功包封肝癌细胞（HepG2、Huh7）、人胚胎干细胞（hESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs），所有细胞类型的包封后存活率均＞90%，包封效率最高达97.6%；包封的干细胞能在胶囊内快速聚集形成球状体，且在7天培养期内持续维持高多能性（Nanog、Oct4、Sox2等多能性标志物表达稳定），无明显分化。

4、选用PEG基水凝胶作为胶囊材料，相比海藻酸盐，其理化性质可精准调控，且胶囊为半透性结构，能实现营养物质和代谢物交换；采用油相交联的方式形成水凝胶壳，全程无油相残留影响细胞培养，还通过在壳相添加乙醇优化交联效率，解决了高流速下胶囊成型不佳的问题。

5、该3D打印微流控装置兼具高通量、小型化、可定制的特点，突破了传统微流控技术规模化的瓶颈，且包封过程不影响干细胞的多能性和细胞活性；未来可应用于干细胞的规模化分化、免疫隔离移植等再生医学领域，为细胞治疗的临床转化提供核心技术支撑。

图1 本研究所采用的微胶囊封装及设备制造策略

微胶囊的制备过程主要分为以下几个关键步骤：

1、多相流体共流与液滴形成

微胶囊的制备在一个3D打印的同轴流道微流控设备中完成。设备具有四层同轴流道，分别输送：

• 核层液：含有细胞、密度梯度介质Optiprep及惰性PEG，用于调节粘度与密度；

• 壳层液：含有可交联的PEG前体（四臂聚乙二醇马来酰亚胺与丙烯酰胺-聚乙二醇-丙烯酰胺）；

• 屏蔽油：含表面活性剂Span-80的矿物油，用于稳定核-壳结构液滴；

• 交联油：含二硫苏糖醇交联剂的矿物油，用于引发壳层凝胶化。

四相流体在喷嘴处形成稳定的共流结构，核-壳液滴被屏蔽油包裹，在油相中生成油包水包水（W/W/O）双乳液液滴。

2、壳层交联与微胶囊固化

液滴离开喷嘴后进入蛇形混合通道，交联油中的DTT分子通过界面扩散进入壳层，与PEG前体发生迈克尔加成与点击化学反应，迅速形成PEG水凝胶外壳，而核心保持液态。蛇形通道提供了约10秒的停留时间，确保壳层充分交联后再收集。

3、主动频率调制优化液滴生成

在喷嘴处集成了电磁阀执行器，可对屏蔽油流施加周期性脉冲（最高100 Hz）。这一设计使液滴剪切过程独立于溶液粘度和流速，即使在高粘度或高流速的射流模式下也能实现均匀、可控的液滴生成，显著提升胶囊的均一性。

4、收集与后处理

制备完成的微胶囊从设备出口收集于油相中，随后经100 μm细胞筛过滤，用无菌PBS洗涤三次去除残留油相和未反应试剂，最终转移至细胞培养基中进行培养。

图2 探索3D打印封装装置中控制胶囊生成的操作条件

图3 封装效率、细胞球体形成及细胞活力评估

图4 主动频率调制对3D打印微流控系统中微胶囊形成的影响

图5 利用并行化微流控装置实现核壳微胶囊的规模化制备

图6 封装人胚胎干细胞（hESC）球体形成及多能性维持评估

论文链接：https://doi.org/10.1002/adhm.202600018