水凝胶纤维是一种具有高含水量和纤维形态特征的生物材料，在生物传感、药物递送和组织工程等领域具有广阔的应用前景。然而，现有的水凝胶纤维湿法纺丝微流控装置通常需要复杂的制造工艺和特殊设备，如3D打印机和洁净室设施。此外，这些固定配置的微流控装置容易发生堵塞、污染和损坏，限制了其广泛应用。
近期，瑞士联邦材料科学与技术实验室的研究人员开发了一种基于乐高积木的模块化即插即用微流控装置，用于制造功能性水凝胶纤维，包括pH响应性多层结构纤维，其设计简化了装置的组装、拆卸和维护，提升了用户友好性与生物医学应用潜力。相关研究以“A plug-and-play microfluidic device for hydrogel fiber spinning”为题发表于期刊《Lab on a Chip》。
本文要点：
1、本研究开发了一种乐高积木式“即插即用”（plug-and-play，PnP）微流控装置，用于水凝胶纤维纺丝。
2、该装置采用PDMS弹性体和商业乐高积木组装而成，易于拆卸和重新组装，便于清洗和更换部件。
3、通过单模块、双模块和三模块装置，分别实现了常规海藻酸钠（Alg）水凝胶纤维、中空纤维和多层纤维的纺丝。特别是，三模块装置能够制备具有pH敏感性的多层纤维，用于生物环境监测。
4、这种PnP微流控装置为水凝胶纤维的制备提供了一种简单、灵活且用户友好的解决方案，有助于推动生物医学研究的发展。
在基于乐高的PDMS-玻璃模块化微流控平台中，如何通过创新设计实现多层流体的无泄漏精准调控？
1、模块化装配原理
利用乐高板的标准化锚点（D=4.8 mm, H=1.7 mm）实现模块间高精度对准，通过多点锚定锁定PDMS模块与玻璃喷嘴/毛细管的同轴配置，确保流体通道的连续性。
玻璃喷嘴插入PDMS模块时采用乙醇润滑，通过负压配合实现密封，避免使用胶水或化学粘合剂导致的污染风险。
2、多层流速调控机制
单模块：通过核心流分数（f=Qcore/QT）控制纤维直径，当总流量QT在200–800 μL/min范围内变化时，纤维直径仅由f决定（p<0.05），实现流速与纤维尺寸的解耦。
双模块：鞘流（Qsheath）调控纤维外径（150–300 μL/min时外径从357 μm降至289 μm），核心流（Qcore）调控内径（6–14 μL/min时内径从151 μm增至219 μm），ANOVA验证两者独立调控（p>0.05）。
三模块：引入三层流体协同（核心流：明胶；第一壳层：Alg-FITC-壳聚糖；第二壳层：丙烯酰胺预聚液），通过光交联和离子交联双重固化稳定结构，结合pH敏感性实现生物监测功能。
3、防泄漏与防堵塞设计
使用可切换Y型接头动态调节鞘流（DI水与CaCl2切换），响应时间<30秒，将堵塞率降至<5%。
采用脉冲自由的高精度注射泵控制流量，结合透明PDMS/玻璃组件实时监测流动状态，快速响应异常工况。
模块化微流控装置在水凝胶纤维纺丝中的优势主要体现在以下几个方面：
1、用户友好性：该装置采用乐高积木式的模块化设计，用户可以轻松组装、拆卸和清洗各个模块。这极大地降低了使用和维护的难度，尤其适合初学者或缺乏经验的用户。
2、灵活性和可扩展性：用户可以根据需要选择单模块、双模块或三模块配置，单模块装置可以用于生产常规水凝胶纤维，而双模块和三模块配置则能够实现更复杂的多层结构纤维制造。
3、降低技术门槛：不同于传统微流控设备可能需要复杂的制造程序和专用仪器（如高分辨率3D打印机或洁净室设施），模块化设计可通过基础实验室材料（如PDMS和玻璃喷嘴）实现，降低了设备运行和开发的技术门槛。
4、减少堵塞和污染风险：模块化装置支持流体路径的灵活切换，在保证实验流体稳定性的同时有效降低了堵塞的风险。此外，各模块可轻松拆卸和单独清洁，降低了传统设备中常见的污染风险。
5、多功能性：通过三模块装置，可将pH敏感的FITC-壳聚糖嵌入纤维的特定层，制造出具有pH响应性的多层纤维。此外，用户还可以根据需求集成药物递送层、细胞培养层或传感器层，增强纤维在组织工程、药物释放和生物传感等领域的应用潜力。
图1用于水凝胶纤维纺丝的“即插即用”微流体装置。（A）设备组装的“插入”步骤示意图。（B）组装好的微流体装置的数码照片。（C）PnP微流体装置创建的层流数码照片。
图2 PnP微流体装置易于组装和拆卸的设计原理。（A）设备的各个部分。（B）由三个模块组装而成的装置。
图3单模块装置纺丝海藻酸水凝胶纤维。
图4双模块装置纺丝中空纤维。
图5不同外径（OD）或内径（ID）的中空水凝胶纤维。
图6使用三模块微流体装置纺丝多材料纤维。
本研究创新点：
1、标准化锚点与多点锁定：通过乐高模块的机械互锁设计，实现亚毫米级通道对准精度。
2、流体参数解耦：鞘流、核心流独立调控中空纤维内外径，突破传统固定配置的限制。
3、动态切换防堵策略：基于Y型接头的鞘流切换技术，避免聚合物凝固导致的通道堵塞。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D4LC00783B
