液滴作为一种微小的液体隔室，因其可充当模板或独立反应单元的独特属性，受到生物医学和生物制造领域的广泛关注。然而，如何以高效且生物友好的方式简便生成功能性液滴仍然是一项巨大挑战。
近期，中国科学技术大学苏州高等研究院秦建华教授团队开发了一种微流控辅助气动滴液生成器，能够高通量、定制化地生成单分散滴液，适用于生物制造中的细胞封装、生物材料合成等多种应用场景，展现出良好的生物相容性和可扩展性。相关研究以“Microfluidic-Assisted Pneumatic Droplet Generators Designed for Multiscenario Biomanufacturing with Favorable Biocompatibility and Extendibility”为题，发表在期刊《ACS Biomaterials Science & Engineering》上。
本文要点：
1、本文介绍了一种微流控辅助气动滴液生成器，可实现生物制造领域的多场景应用。
2、该方法能够定制化、高通量地生成单分散滴液，通过简化的气压调节模块精确控制滴液尺寸。
3、该技术能够以全水相方式快速制备大量均匀的藻酸盐微载体，封装其中的胰岛细胞或肝细胞表现出良好的活性和生物功能。
4、通过改变微通道配置，可将涉及微流控技术的多种流体操纵功能，如混合和层流，成功集成到该平台中。
5、具有可扩展功能的液滴发生器在许多生物制造场景中得到了展示，包括细胞仿生颗粒的按需分布、生物医学金属有机骨架（MOF）的连续合成、Janus微凝胶的可控制备等。
6、总体而言，该技术具有良好的生物相容性和可扩展性，为组织和器官工程、生物材料设计、生物打印喷嘴等领域的发展提供了可持续的灵感。
微流控辅助气动滴液生成器的工作原理基于微流控技术和气动辅助机制相结合，来实现液滴的高效生成和精确控制。具体如下：
1.基本结构与原理
如图，集成的微流控气动系统由上游PDMS微流控芯片和下游同轴毛细管装置组成，在毛细管出口处通过引入氮气流（气动剪切力）控制液滴的形成、增长和分裂过程。
液滴生成时主要受以下力的作用：毛细管力（垂直向上）、注入力（垂直向下）、重力和气流剪切力（斜向下）。由于设备的对称性，气流的水平剪切力相互抵消，而垂直向下的剪切力累积，从而加速液滴的断裂并控制其大小。
氮气流速的变化直接影响液滴的尺寸，较高流速能生成更小、更均一的液滴。
2.参数调节与功能扩展
通过改变微通道配置，可灵活集成多种流体操作功能，包括混合或层流等。例如，利用Y型通道实现分区结构液滴的可控生成（如Janus微凝胶），通过调节流速控制不同溶液的分布；通过并行配置微通道可显著提升液滴生成的通量，满足多场景下的高效生产需求。
总体而言，该生成器通过气动剪切力与微流控技术的协同作用，在结构简单的同时实现了高精度、可定制化的液滴生成，具备广泛的生物制造与生物医学工程应用潜力。
气动机制通过提供额外的气动力来改善液滴的生成，相较于传统方法具有以下优势：
1.更高的通量和尺寸可控性
气体剪切力的垂直向下分量能够加速液滴的断裂速度，从而控制其大小，生成均匀的单分散液滴。这种方式能够在高流速下操作，并维持液滴的一致性，相较于依赖恒定重力的共挤出滴落法，具有显著更高的生成通量。
2.无需表面活性剂和油相，具有良好的生物相容性
采用气动机制的装置能够以全水相方式快速制备大量均匀的海藻酸盐微载体，无需依赖油相和表面活性剂，避免了潜在的生物毒性影响，为细胞封装或生物材料合成提供了更加生物友好的方案。
3.灵活的功能扩展与多样化应用
通过改变微流控芯片的上游通道设计，可集成混合、层流等多种流体操作功能。例如，双入口Y型通道可生成具有不同分区结构的液滴（如Janus微凝胶），满足细胞仿生颗粒或多组分微载体的制备需求。
4.操作简单且可扩展性高
气动装置无需复杂或昂贵的注射泵，仅需通过氮气流和液体注入速率的调节即可高效生成液滴。同时，通过增加微通道的并行数量，可以进一步提升液滴生成的产量，而不影响液滴的均匀性。
图1.（A）通过改变毛细管上游的不同微流体设计构建多功能液滴生成平台的示意图。（B）具有不同功能的微流体辅助气动液滴发生器的芯片实物图。比例尺：250nm。
图2.单通道微流体气动平台，用于可控生成海藻酸盐微凝胶。
图3.分散相（海藻酸盐溶液）流速与微凝胶尺寸之间相关性的评估。
图4.生物相容性微载体的制备。
图5.包封在生物相容性微载体中的HepG2细胞的细胞功能评估。
图6.使用双入口液滴发生器集成流体混合效果（DIDGM）和三入口液滴生成器集成流体混合效应（TIDGM）对多种油墨进行可控混合。
图7.DIDGM和TIDGM的潜在应用。
图8.微流体辅助气动策略的可扩展性演示。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.4c01135
