近期，沈阳建筑大学梁文峰教授、党丹副教授，以及弗吉尼亚理工学院暨州立大学助理教授Zhenhua Tian博士联合提出了一种圣诞树型微流控平台，通过将尖角微结构整合到四层蛇形微通道中，实现了同时合成多种尺寸的二氧化硅纳米粒子。相关研究以“Simultaneous Microfluidic Synthesis of Multi-Sized Silica Nanoparticles for Biomedical Applications”为题目，发表在期刊《ACS Applied Nano Materials》上。

本文要点：

1、本文提出了一种新型的“圣诞树”微流控平台，用于同时合成多种尺寸的二氧化硅纳米颗粒，适用于生物医学应用。

2、研究表明，药物负载的二氧化硅纳米颗粒在特定肿瘤中的生物活性与其尺寸相关。

3、该平台通过四层蛇形微通道和锐角微结构显著提高了混合效率，确保了出口浓度的线性分布。

4、实验结果显示，氨浓度对合成纳米颗粒的尺寸影响显著，合成的纳米颗粒尺寸范围为112.3±35到232.7±46.3 nm，且多分散指数均低于0.1。

5、药物筛选实验表明，不同尺寸的药物负载纳米颗粒能显著降低癌细胞的活性，且细胞活性与纳米颗粒尺寸呈负相关。

6、这一发现对精准癌症治疗具有重要意义，有助于提高临床疗效并减少对正常细胞的损伤。

使用微流控平台合成二氧化硅纳米颗粒的优势主要包括以下几点：

1、可控性：微流控技术能够对反应条件（如流速、温度和反应时间）进行精确控制，从而实现纳米颗粒尺寸和形状的可调性。

2、高混合效率：微流控平台通过设计复杂的通道结构（如蛇形通道和锐角微结构）来增强流体混合效率，确保反应物能够快速均匀混合，减少反应时间。

3、线性浓度梯度生成：该平台能够在出口生成线性浓度梯度分布，这对于合成不同尺寸的纳米颗粒至关重要，能够实现多种尺寸的纳米颗粒的同时合成。

4、低试剂消耗：微流控系统在微米尺度内进行控制和操作，显著减少了所需试剂的用量，降低了实验成本。

5、高质量产品：由于反应条件的均匀性和可控性，合成的纳米颗粒具有较低的多分散指数，显示出良好的分散性和一致性。

6、生物医学应用潜力：合成的二氧化硅纳米颗粒在药物载体方面表现出良好的生物相容性和药物负载能力，适用于癌症的精准治疗。

综上所述，微流控平台在合成二氧化硅纳米颗粒方面提供了高效、可控和经济的解决方案，具有广泛的应用前景。

合成二氧化硅纳米颗粒的尺寸受多个因素的影响，具体如下：

1、氨浓度：氨的浓度对纳米颗粒的尺寸有显著影响。研究表明，随着氨浓度的增加，合成的二氧化硅纳米颗粒的平均直径呈线性增加。

2、反应温度：反应温度的变化也会影响颗粒的尺寸。一般来说，较高的温度会导致纳米颗粒的尺寸减小，因为高温会降低氢氧根离子的浓度，从而抑制颗粒的生长。

3、反应时间：反应时间的长短直接影响纳米颗粒的生长。延长反应时间通常会导致颗粒尺寸增大，因为颗粒在反应过程中有更多的时间进行聚合和生长。

4、混合效率：微流控系统的设计(如采用带有锐角微结构的蛇形通道)可以提高反应物的混合效率，从而影响最终颗粒的尺寸分布。

5、初始反应物浓度：反应物的初始浓度(如四乙氧基硅烷TEOS的浓度)也会影响合成的纳米颗粒的尺寸。

通过调节这些因素，可以实现对二氧化硅纳米颗粒尺寸的精确控制，从而满足不同生物医学应用的需求。

图1.微流控芯片的示意图。

图2.单个微通道中流动轨迹和速度二维流线分布的模拟结果。

图3.单个单元中混合的代表性图示。

图4.（a）六个出口处混合染色和无染料溶液的图像。（b）六个出口处染色和无染料溶液的归一化灰度分布。

图5.SiO₂纳米粒子尺寸随氨浓度变化的校准曲线。

图6.六个出口处SiO₂纳米颗粒的SEM图像，平均直径为（a）112.3±35.0 nm，（b）128.1±32.9 nm，（c）151.5±30.0 nm、（d）171.6±41.8 nm、（e）200.8±39.8 nm和（f）232.7±46.3 nm（所有比例尺均为500 nm）。

图7.在不同反应温度和时间下合成的SiO₂纳米粒子直径的变化。

图8.二氧化硅纳米粒子作为Dox药物载体的评估。

图9.用六种不同尺寸的载药纳米颗粒处理MCF-7细胞的存活率评估。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04812