浙江大学曹臻、汪小知团队：集成微通道板的微流控乳液系统高通量生成单分散液滴和水凝胶微球-北京永康乐业科技发展有限公司

近期，浙江大学曹臻副教授、汪小知副教授等人提出了一种集成微通道板（MCP）的高效微流控乳液系统，利用多孔玻璃膜实现单分散液滴和水凝胶微球的高通量生成，并探讨了其在细胞培养和基因定量分析中的应用潜力。相关研究以“High-Throughput Microfluidic Production of Droplets and Hydrogel Microspheres through Monolithically Integrated Microchannel Plates”为题目，发表在期刊《Analytical Chemistry》上。

本文要点：

1、本研究提出了一种高效的微流体乳液系统，利用集成微通道板（MCP）进行单分散液滴的高通量生成。

2、通过广泛探索粘度、流速和孔径等物理参数，优化了乳化条件，验证了该装置的性能，能够在4×4 mm²的MCP上以3 mL/h的分散相通量生成变异系数小于5%的单分散液滴。

3、液滴的平均直径是膜孔径的两倍，且可通过选择合适的膜类型进行控制。

4、此外，成功制备了均匀的水凝胶微球，产量高达每分钟1.5×10⁶个，适合细胞培养，且小鼠成纤维细胞在这些3D支架上的细胞存活率超过96%。

5、将该装置应用于液滴数字聚合酶链式反应，实现了肺癌相关PLAU基因的绝对定量，检测限为0.5 copies/μL，动态范围为10⁵。

6、鉴于其易于制造、性能稳定且操作简单，该乳液系统为实验室基于滴液的检测和组织工程应用奠定了基础。

在该微流体乳液系统中，影响液滴形成的关键因素包括：

1、粘度比：分散相和连续相的粘度比对液滴的稳定性和均匀性有显著影响。粘度比的优化可以确保液滴在形成过程中保持稳定，避免合并或破裂。

2、流速：分散相和连续相的流速会影响液滴的大小和分布。适当的流速可以确保液滴在形成时具有良好的单分散性，而不当的流速可能导致液滴大小不一，影响后续应用。

3、孔径大小：微通道板的孔径大小直接决定了液滴的平均直径。选择合适的膜孔径可以有效控制液滴的尺寸。

4、表面润湿性：膜的表面特性（如接触角）会影响液滴的形成过程，特别是在水-油乳液中，表面疏水性处理可以促进液滴的形成。

微通道板（MCP）通过以下几个方面增强了单分散液滴的生成：

1、高孔隙率和密集的微通道阵列：MCP是一种高孔隙率的玻璃膜，内部密集排列着数百万个微通道。这种设计使得可以同时生成大量液滴，从而显著提高了液滴的生产效率。

2、均匀的孔径和高纵横比：MCP的微通道具有均匀的孔径和高纵横比，这有助于生成直径可控且单分散性好的液滴。液滴的平均直径是膜孔径的两倍，可以通过选择合适的膜类型进行调节。

3、简化的制造过程：MCP的制造采用了简单的纤维拉伸工艺，避免了传统微通道膜所需的复杂光刻和蚀刻过程。这使得MCP的生产更加经济和高效，适合大规模应用。

4、优化的流体动力学：在MCP中，分散相通过微通道注入连续相，形成液滴时，流体的剪切力和界面张力的平衡得以优化，从而提高了液滴的稳定性和均匀性。

总体而言，在微流控乳液系统中集成MCP提供了一种高效、可控的方法来生成单分散液滴，这对于生物医学研究和工业应用具有重要意义。

图1.（a,b）MCP截面的扫描电镜（SEM）图像，显示了（a）直径为20μm和（b）直径为12μm的均匀圆形开口且密集排列的微毛细管。插图显示了使用MCP乳液装置产生的单分散液滴。这些液滴的平均直径测量为（i）40μm和（ii）24μm。比例尺：100μm。（c）硅烷涂层后MCP表面水滴的照片。接触角测量为130°。（d）集成MCP的乳液装置的概念图，用于高通量液滴生成。MCP的一部分夹在一对分别填充有分散相（蓝色）和连续相（黄色）的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道之间。通道的一端被堵塞，流速由注射泵控制。分散相通过MCP膜注入，同时产生大量高单分散性的液滴（插图）。（e）展示了用于高通量单分散乳液生成的装置结构示意图。