耦合微流控合成与原位RGD功能化，制备聚高内相乳液微球-北京永康乐业科技发展有限公司

导读：

近期，发表在期刊《ACS Applied Polymer Materials》上的一项研究，以“Coupled Microfluidic Synthesis and In Situ RGD Functionalization of PolyHIPE Microspheres”为题，介绍了一种耦合微流控合成与原位（in situ）RGD功能化制备聚高内相乳液（polyHIPE）微球的新方法。研究人员通过微流控技术实现了微球的规模化生产，并利用硫醇-烯点击化学反应，在生产线上直接将具有生物活性的RGD肽接枝到微球表面。这种原位功能化过程比传统的批量处理更高效、均匀，且显著减少了溶剂消耗并缩短了反应时间。实验结果显示，通过该工艺制备的微球具有优异的单分散性和互通的多孔结构，能有效促进MG-63成骨细胞的粘附与增殖。该研究证明了这种集成微流控平台在生产可注射生物支架方面的潜力，为组织工程和再生医学提供了高度可控且可扩展的技术方案。

本文要点：

1. 研究背景与核心创新

研究背景：组织工程需要可扩展且具有生物活性的3D支架。传统的polyHIPE块体材料功能化通常采用批处理方式，耗时久（数小时或数天）、溶剂消耗大且难以规模化生产。
核心创新：开发了一个“即插即用”型微流控平台，将单分散polyHIPE微球的合成与硫醇-烯（thiol-ene）光化学反应结合，实现了微球的一步法原位表面功能化。

2. 微流控合成工艺

液滴生成：使用丙烯酸酯单体混合物作为分散相，在微反应器中通过剪切形成均匀液滴。
原位固化：液滴经UV照射迅速聚合，锁定多孔形态。
原位功能化：固化后的微球在流动的管道中与功能化溶液（如RGD肽）混合，再次经UV照射，通过硫醇-烯反应将生物活性肽共价接枝到微球表面。

3. 材料特性与性能指标

高单分散性：制备的微球具有极高的尺寸均匀性，平均直径约为 863 ± 26 μm，变异系数（CV）仅为 1%。
扩散受控的反应机制：研究发现功能化效率受扩散控制。微球表面的PVA稳定剂层会阻碍反应物接触，使用50%乙醇溶液作为溶剂可有效促进颗粒溶胀并提高功能化效率。
组分影响：柔性单体（EHA）比例较高的微球比刚性单体（IBoA）比例高的微球表现出更高的功能化效率，这是因为EHA聚合物网络更灵活且亲水性更好。

4. 生物活性与应用验证

3D细胞培养：将MG-63成骨样细胞接种于RGD功能化的polyHIPE微球上。
显著效果：与无功能化的支架相比，RGD修饰的微球显著增强了细胞的粘附、增殖和网络形成。细胞数量从第1天到第7天呈单调增长趋势，且观察到细胞向颗粒内部多孔结构迁移的迹象。

5. 结论与意义

该方法证明了在微流控系统中实现大规模、高效且均匀的功能化是可行的。这种具有生物活性的多孔微球可作为可注射的生物支架，在组织工程和再生医学领域具有重要的临床应用潜力。

在微流控系统中，由于颗粒在进入第二个T型混合器时已经完成了固化，防止系统堵塞是一个关键的技术挑战。根据原文，研究者主要通过以下几种设计和操作手段来降低堵塞风险：

提高连续相流速：系统通常需要连续流以更高的流速运行，以提供足够的动力确保固化后的微球能够顺利通过混合器进入第二股流束，避免在接口处发生停滞。
优化混合器孔径：使用更大直径的T型混合器可以确保微球无障碍地通过中心区域。然而，这是一个权衡过程，因为混合器的内径如果增加过多，会降低两股流体的混合效率，从而影响功能化的效果。
精选功能化溶剂（防止化学沉淀）：

研究发现，虽然丙酮等极性溶剂能促进接枝，但高极性会导致稳定剂PVA发生沉淀，从而可能堵塞反应器并污染产物。
为了规避这一风险，系统选用了50%乙醇溶液。它在保证颗粒溶胀以提高反应效率的同时，能更好地控制PVA的状态，最大限度地减少操作过程中的并发症（如因沉淀导致的堵塞）。

保持稳定的层流环境：实验中精确控制了两相的流速（如内流速Q_i= 0.005 mL/L，外流速Q_o = 1 mL/L），利用稳定的层流（laminar flow）来维持颗粒运行的一致性，防止因流体紊乱导致的颗粒堆积。

尽管采取了这些措施，在微流控系统中添加第二个T型混合器确实显著增加了堵塞的风险，未来的研究仍需在管道设计上进行进一步优化以确保完全顺畅的功能化过程。

图1. 本研究将即插即用型微流控颗粒合成系统与原位合成后功能化耦合的概念概览。

图2. 功能化 PolyHIPE 微球的制备过程及其在 3D 细胞培养中应用的示意图。图中展示了用于制备 HIPE 乳液的单体化学结构以及 RGD-Cys 的化学结构。LAP：苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)膦酸锂（光引发剂）。

图3. 合成的 polyHIPE 颗粒的形貌：(a) 基于 EHA 的 polyHIPE 微球的光学显微照片（比例尺：1 mm）；(b) 基于 EHA 的 polyHIPE 微球的 SEM 图像（比例尺：50 μm）；(c) 基于 IBoA 的 polyHIPE 微球的 SEM 图像（比例尺：50 μm）；(d) 基于 EHA 的 polyHIPE 微球的孔径分布；(e) 基于 IBoA 的 polyHIPE 微球的孔径分布。

图4. 在流动系统中用 L-半胱氨酸对 polyHIPE 颗粒进行功能化：(a) EHA polyHIPE 微球的 XPS 高分辨率 N 1s 光谱；(b) IBoA polyHIPE 微球的 XPS 高分辨率 N 1s 光谱；(c) EHA 的 XPS 高分辨率 S 2p 光谱；(d) IBoA polyHIPE 微球的 XPS 高分辨率 S 2p 光谱；(e) EHA（上图）和 IBoA（下图）polyHIPE 微球的 EDS 图像，展示了颗粒表面 C、O、S 和 N 的元素分布。