Ø乳液(emulsions)与液滴(droplets)简介

乳液是两相或两相以上互不相溶液体的混合体系，其中一相会以液滴的形式分散在另一相中。液滴存在的相称为分散相或内相，另一相则称为连续相或外相。乳液通常分为单乳液和双乳液，最常见的单乳液是水包油和油包水类型。在水包油乳液中，连续相是水，分散相是油，而在油包水乳液中，连续相是油，分散相是水。双乳液较单乳液而言，是一个复杂体系，又称为乳液中的乳液，有水包油包水和油包水包油两种类型。

乳液具有以下多重优势，被广泛应用于食品、药物以及化妆品中[1]。

ü乳液液滴尺寸小，比表面积大，传质、传热效率高；

ü内部可进行多种生物、化学反应，所需样品试剂量少；

ü封闭的反应体系，可避免样品交叉污染;

ü可对药物、活性成分等物质进行隔离、保护和控制释放；

Ø微球/微凝胶/微囊(Microsphere/Microgel/Microcapsule)简介

和乳液状态的液滴有所区分，微球是指球形的微粒，直径一般从纳米级至微米级。

微球 微凝胶 微囊

微球内部由化学键或物理相互作用交联的微球，在良溶剂中吸收溶剂而溶胀呈凝胶状态，被称为微凝胶。而微囊是指内部包埋了其他功能性物质的微球。这些不同状态的微粒子具有一些共同的特征，比如粒径范围广、比表面积大，载体材料体系广，生物相容性、或可降解性，因此常被用于生物医用领域[2]，如药物递送、药物控释、组织工程等。

Ø液滴微流控（Droplet Microfluidics）简介

液滴微流控作为微流控芯片研究中的重要分支，是近年来在传统连续流微流控系统基础上发展起来的，是一项在微尺度通道内通过多相流体剪切形成单分散的液滴，并对其进行操控的技术，液滴的形成类似于前面提到的乳化现象。这种技术能可控地生产具有高度单分散尺寸的单乳液液滴和多重乳液液滴，并且对乳液液滴结构（如内部包含液滴的组分、数目、尺寸、比例以及外部液层的组分、厚度等）进行精确调控。而这些结构精确可控且多样化的液滴在内部或相界面处通过后续的聚合、交联、溶剂挥发、固化、组装等方法可以得到功能微球和核-壳型微囊材料。

基于液滴微流控合成各种功能微球的概述图[3]

Ø为什么要用液滴微流控（Droplet Microfluidics）

在微流控方法还没有得到普及之前，制备各种微球的传统方法包括喷雾干燥法、悬浮聚合法、和乳液蒸发法等。上述方法都存在外力不稳定，不同相混合时剪切力不均匀等弊端。导致得到的微球粒径分布不均匀且粒径难以控制；粒径差异明显，小至十几微米，大至几百微米；甚至可能会使内部活性物流失，改变微球形貌。液滴微流控技术相对操作简单，制备的微球大小均匀、体系封闭、单分散性好，粒径偏差可以稳定控制在5%以下，特定条件下甚至可以达到1%；而且，试剂消耗量低、实验安全系数高、可以控制内部组成含量、实现更加有序的内部结构。

Ø液滴微流控的应用

细胞负载体（Cell-laden matrix）

单细胞研究：液滴微流控系统每秒可以产生数千个样品（液滴），作为单细胞的培养器[4]，与传统微量滴定板中的细胞培养相比，μL至 pL体积的微滴可减少试剂和细胞的使用。基于液滴的微流控系统提供了一个分析平台，能够分离液滴中的单个细胞或细胞群[5]。

基于微液滴的细胞培养平台[6]

组织工程：液滴微流控技术能够以高通量的方式制备大小、成分和功能可控的单分散液滴，这些液滴可以封装一种或多种细胞，作为模板来制备具有特定理化性质且能够抗剪切应力的细胞凝胶微球，可以作为构建组织工程的支架，应用于器官模型、肿瘤模型和载干细胞可注射水凝胶支架等领域的研究[6]。

递送系统（Active substance delivery）

液滴微流控技术为控制单分散微粒和所需形态提供了极好的工具，在粒子结构均一性、批次间可重复性和药物包载率等方面均表现出明显的优势[7]。基于液滴微流控技术制备的微胶囊、纳米颗粒、乳液可作为各种输送系统[8]。

例如，利用水/油体系可制备多种乳液，允许将多种成分，如药物、维生素、抗氧化剂、香料、阻燃剂等封装在体系内。经过后处理过程又可将乳液转化为水凝胶颗粒或产生核-壳微胶囊用于输送上述有益成分，广泛应用在药物制剂、食品、化妆品、纺织品等行业。另外，将活性小分子化合物、蛋白大分子、疫苗、免疫治疗物及基因等药物包裹或吸附于功能化的纳米载体（脂质体、聚合物纳米颗粒）结构中可以形成纳米载药系统。

液滴微流控用于药物输送展现出的特征优势[8]

合成“人造细胞”（Artificial cells）

液滴微流控不仅限于颗粒和微囊的合成，还可以作为人工细胞的模板。根据不同的研究目的，它们可以通过无膜隔离的生化反应模拟特定细胞功能，或者可以用作脂质双分子层的模板。更复杂的设计允许将液滴封装在更大的液滴中，以模拟真实细胞中的组成[9]。

人造细胞构造示意图

基于微流控技术从液滴、囊泡、聚合物微球到类细胞系统构建人工细胞[9]

生物大分子表征（Biological macromolecule characterization）

使用油包水系统，液滴PCR[10]通过组装成分、形成液滴、组合液滴、热循环，然后处理结果，就像普通PCR一样，它使特定核酸序列的极高灵敏度检测成为可能。基于液滴的设备也被用于研究蛋白质结晶[11]所需的条件以及用于DNA测序[12]。

化学合成（Functional material synthesis/Chemical synthesis）

作为一种化学合成方法，微流控装置中的液滴可以充当单独的反应室。一些功能性微纳颗粒，如液晶微胶囊[13]、纳米晶体、光子晶体团簇[14]，都可以在液滴微流控的帮助下合成。

参考文献

1. Lee TY, Choi TM, Shim TS, Frijns RA, Kim SH. Microfluidic production of multiple emulsions and functional microcapsules. Lab on a Chip. 2016, 16 (18): 3415–40.

2.Li, et al. Microfluidic fabrication of microparticles for biomedical applications. Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 5646.

3.F. Long, Y. Guo, Z. Zhang, Y. Ren et al. Recent Progress of Droplet Microfluidic Emulsification Based Synthesis of Functional Microparticles. Global Challenges, 2023, 7, 2300063.

4.Joensson HN, Andersson Svahn H. Droplet microfluidics--a tool for single-cell analysis. Angewandte Chemie. 2012, 51 (49): 12176–92.

5.Jang M, Yang S, Kim P. Microdroplet-based cell culture models and their application. BioChip Journal, 2016, 10 (4): 310–317.

6.Feng Q, et al. Microgel assembly: fabrication, characteristics and application in tissue engineering and regenerative medicine. Bioactive Materials, 2021, 9: 105-119.

7.Hirvonen, et al. Microfluidic-assisted fabrication of carriers for controlled drug delivery. Lab on a chip, 2017, 17, 1856–1883.

8.Lengyel, M., Kállai-Szabó, N., Antal, V., Laki, A. J. & Antal, I. Microparticles, microspheres, and microcapsules for advanced drug delivery. Scientia Pharmaceutica, 2019, 87(3), 20.

9.Tan S, Ai Y, Yin X, et al. Recent Advances in Microfluidic Technologies for the Construction of Artificial Cells. Advanced Functional Materials, 2023, 33(45): 2305071.

10.Zheng B, Tice JD, Roach LS, Ismagilov RF. A droplet-based, composite PDMS/glass capillary microfluidic system for evaluating protein crystallization conditions by microbatch and vapor-diffusion methods with on-chip X-ray diffraction. Angewandte Chemie. 2004, 43 (19): 2508.

11.Hindson BJ, et al. High-throughput droplet digital PCR system for absolute quantitation of DNA copy number. Analytical Chemistry. 2011, 83 (22): 8604–10.

12.R. A. Adam and T. Hung. DNA sequence analysis with droplet-based microfluidics. Lab Chip, 2013, 13 , 4864-4869.

13.Chen H Q , Wang X Y , Bisoyi H K ,et al. Liquid Crystals in Curved Confined Geometries: Microfluidics Bring New Capabilities for Photonic Applications and Beyond. Langmuir. 2021, 37 (13): 3789–3807.

14.Wang JT, Wang J, Han JJ. Fabrication of advanced particles and particle-based materials assisted by droplet-based microfluidics. Small. 2011, 7 (13): 1728–54.