近期，东南大学孙剑飞教授团队联合南京大学顾宁院士团队提出了一种基于软模板的微流体电喷雾技术，通过调节聚合物浓度和界面张力，灵活地合成具有多样化拓扑结构的磁性水凝胶微球，并探讨其在药物控释中的应用。相关研究以“Soft-template regulation of magnetic microsphere topology from a microfluidic device”为题目发表于期刊《Chemical Engineering Science》。

本文要点：

1、本研究提出了一种简单的微流控电喷雾技术，无需更换设备即可合成具有多样结构的磁性水凝胶微球。

2、该方法使用由界面张力控制的微流控层流作为软模板，在理论分析和仿真的指导下，可调节两相层流模板，以控制微球的微观结构，从Janus到核壳拓扑结构。

3、这种软模板方法适用于多种材料，仅需使用水溶液作为介质，且可扩展至三相流体生成复杂的拓扑结构微球。

4、验证了这些微球在控制药物序列释放方面的独特优势。该微流体方法通过利用微尺度层流作为软模板，展现了其制备不同结构微球的巨大潜力。

聚合物溶液的浓度如何影响微球的拓扑结构？

• 聚合物溶液的浓度对微球的拓扑结构有显著影响。在微流体设备中，通过调节内外相聚合物溶液的浓度，可以灵活控制微球的形态。例如，当内相的聚合物浓度与外相接近时（通常浓度差小于15%），可以容易地制备出Janus型微球；而当内相浓度高于外相0.6%时，更有利于形成核壳结构。随着内相聚合物浓度的增加，微球的形态会逐渐从Janus型转变为弯月形Janus型，最终形成明显的核壳结构。

• 此外，聚合物浓度还会影响流体的粘度，从而改变层流的行为模式，进一步影响微球的尺寸和均匀性。因此，通过调节聚合物溶液的浓度，可以实现对微球拓扑结构的精准调控，充分展示了该软模板微流体方法的多样性和可调性。

该研究中提出的软模板方法相比传统微流体技术具有以下优势：

1、无需更换设备即可实现多样化结构：传统微流体技术中，微球的拓扑结构通常受限于硬件装置的设计，而该研究提出的软模板方法通过调控界面张力和层流模板即可实现从Janus结构到核壳结构等多种拓扑结构的微球合成，无需更换设备，操作更加灵活。

2、适用材料范围广：该方法适用于多种材料体系，仅需使用水溶液作为介质，避免了对特定材料或有机溶剂的依赖，具有更高的通用性和环保性。

3、可扩展性强：该方法不仅适用于两相流体，还可扩展至三相流体，从而生成更复杂的拓扑结构微球，展示了其在复杂微球制备中的潜力。

4、功能性验证：研究验证了通过该方法制备的微球在药物序列释放中的独特优势，表明其在生物医学领域的应用前景。

5、理论指导与精准调控：结合理论分析和模拟，该方法能够精准调控两相层流模板，从而实现对微球微观结构的精确控制。

综上，该软模板方法在灵活性、适用性、可扩展性和功能性方面相较传统微流体技术具有显著优势。

图1.同轴微流体形成Janus水凝胶微球。

图2.软模板调控磁性微球拓扑结构。

图3.微球形成过程的流体模拟。

图4.磁性水凝胶微球的拓扑结构控制。

图5.（a）同轴三通道微流体装置的光学图像。（b）微流体三相流体控制的示意图。（c）不同情况下三相流的模拟结果。（d）在（c）中相应条件下所得微球的共聚焦显微图像。

图6.用于控制药物释放的核壳磁性微球的磁热效应测量。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.121106