基于阶梯乳化的微流控高通量制备微球

1.引言

基于阶梯乳化的微流控通过微通道几何结构精准调控液滴尺寸，具备流速波动不敏感性及高单分散性(变异系数C.V. <5%)等特点，是制备药物递送载体等功能微粒的核心技术。针对单喷嘴通量低(<10 mL/h)的瓶颈，并行集成策略(集成数百至数千个喷嘴阵列)显著提升了工业级生产能力。本文系统综述了阶梯乳化的机理、微通道结构设计及其高通量化的最新进展，为规模化生产提供理论和技术支持。

2.阶梯乳化机理

2.1.液滴形成的准静态机制

初始状态：含表面活性剂的连续相预填充储液池，分散相注入微通道(图1.b.I)。

液滴形成：分散相在阶梯出口处形成凸起，其曲率随注入降低，至临界值2/h(h为喷嘴高度)，打破平衡(图1.b.II)。

颈缩与脱离：凸起与主流间出现颈缩，当其宽度wₙ减至h时，Rayleigh-Plateau不稳定性触发液滴脱离(图1.b.III)。

循环：分散相回缩至喷嘴，进入下一生成周期(图1.b.IV)。

图1 阶梯乳化示意图^[1]

2.2. 微流控阶梯乳化结构

阶梯乳化由界面张力驱动，液滴尺寸主要受微通道的几何构型决定。

凹槽型(Grooved-Type)：

经典四元结构(分散相通道/喷嘴/平台/储液池)。操作时需预填充连续相，在临界毛细数下驱动分散相形成液滴，液滴直径d≈4h (h为喷嘴高度)，实际尺寸受流体性质和驱动参数影响(图2.a)。

直通型(Straight-Through)：

细长直孔结构。当通道长径比超过临界值(3-3.5)时，单分散液滴直径维持d≈4h的线性关系(图2.b)。

边缘液滴生成型(EDGE Device)：

创新性采用宽浅平台替代传统喷嘴，实现单喷嘴多液滴并行生成，分区结构设计使液滴C.V.<5%(图2.c)。

三角喷嘴型(Triangular Nozzle)：

独特三角形截面通过逐渐变化的拉普拉斯压力降低分散相流速，实现局部流速与驱动流速解耦。液滴直径由h决定，长径比5.5-19范围结合临界毛细数确保滴状稳定生成(图2.d)。

图2. 微通道几何结构示意图^[1]

3.并行阶梯乳化微流控高通量制备微球

3.1 并行化阶梯乳化微流控高通量制备微球

阶梯乳化液滴微流控技术能精准生成均匀的单阶和高阶乳剂，在药物封装、靶向治疗和材料科学等领域潜力巨大，但其工业应用面临显著的通量瓶颈，主要因微尺度通道需低流速维持液滴均匀性。为突破此瓶颈，当前主流方案是通过在单一芯片上大规模并行集成多个低通量液滴发生器，实现总产量的线性提升。

Weitz团队提出了一种基于PDMS的“千足虫”高通量微液滴制备装置(图3)，其核心创新点在于利用三角形喷嘴与通道高度突变结构的静态不稳定性实现液滴生成^[2]。该装置的突出特性是液滴尺寸(20-160 μm)由几何结构决定，与流体性质和流速无关，从而确保了极高的尺寸稳定性。该装置通过并行集成超过500个喷嘴，在150 mL/h通量下液滴C.V.<3%，实验验证其最高通量可达700 mL/h (C.V.<5%)。该设计有效解决了传统并行化微流控技术中因流速波动导致的液滴尺寸分布宽的问题，为食品、医药和化妆品等领域的大规模应用提供了新方案。

图3. 基于PDMS的“千足虫”阶梯乳化结构示意图

为了获得尺寸更小(<20 µm)的液滴，Nisisako等人开发了另外一种基于PDMS的阶梯乳化装置^[3](图4)。该装置通过并行264个高度4 µm，宽度38 µm的三角喷嘴结构，再经氧等离子亲水处理，可实现高单分散性(C.V.<4%)的O/W液滴制备生成。实验结果表明，其液滴生成频率高达8×10⁵ Hz (0.5 mL/h)，液滴最终经光聚合制得粒径为16 µm的单分散聚合物微球。该装置兼具低成本和易规模化优势，解决了喷嘴易堵塞问题，为药物递送/色谱填料等工业级生产提供低成本、可抛弃式解决方案。

图4 .基于PDMS的小尺寸液滴(<20 μm)阶梯乳化结构

尽管PDMS具有低成本的优势，但其与多数溶剂兼容性低。为此，Ofner等人开发了一种玻璃微流控装置^[4](图5)，通过并行集成364个乳化通道，实现了高达25 mL/h的产量，同时保持液滴尺寸的高度均一性(CV < 2.5%)。玻璃材质优异的化学惰性和热稳定性使其能兼容多种有机溶剂和高温环境，成功制备了聚合物微胶囊、磁性液滴及温敏水凝胶等功能材料。该装置具备可重复使用(化学/高温清洗)，亲疏水性(表面功能化)可调等特性，为功能性材料的规模化生产提供了可靠且多功能的平台。

图5. 基于玻璃的阶梯乳结构及加工示意图

多路并行的阶梯乳化可有效解决传统微流控中低通量问题，但阶梯乳化对喷嘴出口处的障碍物高度敏感，高生成频率下液滴积聚会干扰后续液滴形成并显著降低其单分散性。针对这一核心瓶颈，Weitz团队开发的基于PDMS的“火山口”阶梯乳化装置(图6)通过利用浮力辅助和开放式收集通道，有效避免了乳滴在喷嘴出口的堆积问题^[5]。该装置适用于各种尺寸液滴的生成(30-1000 μm)，在12-70 mL/min流速区间内保持优异的单分散性(CV < 3%)。实验结果表明，120喷嘴并行结构最高可达10 L/h单分散乳液制备，这为食品，医药及化妆品领域规模化应用提供新的解决方案。

图6 .基于PDMS的“火山口”阶梯乳化结构

针对上述乳液堆积问题，Nisisako等提出了一种垂直狭缝阶梯乳化装置^[6](图7)，其核心创新在于引导连续相定向流动实现液滴即时清除。该装置在并行128个喷嘴结构实现3.6 mL/h制备高单分散液滴(63-68 μm, C.V.<5%)的同时，又利用垂直狭缝结构将液滴停留时间缩短80%，彻底解决乳液堆积导致的堵塞和融合问题。该技术为高通量单分散液滴生产(如生物医药微粒合成)提供了可扩展的解决方案，未来可通过优化喷嘴对齐精度进一步提升性能。

图7. 垂直狭缝阶梯乳化装置示意图

除上述问题外，阶梯乳化还面临卫星液滴生成的问题。为此，Nisisako等开发了一种阶梯乳化-确定性横向位移(SE-DLD)的集成装置^[7](图8)，其核心创新在于耦合1000个并行喷嘴与DLD微柱阵列实现卫星液滴高效分离。该装置通过并行1000个喷嘴结构实现3.0 mL/h制备高单分散液滴(66 μm, C.V.=3.1%)的同时，又通过DLD微柱阵列实现卫星液滴(3 μm)去除率>99.6%。该设计突破阶梯乳化卫星滴残留瓶颈，为药物载体等高精度微球规模化制备提供新方案。

图8. 阶梯乳化与确定性侧向位移(DLD)结构示意图及实物图

3.2 阶梯乳化微流控高通量制备微球的多元化应用

3.2.1药物封装与递送

基于液滴微流控技术封装药物的单分散微球能有效保护活性成分(如药物、化妆品)，实现其可控释放及分区反应，在制药、农业、食品及新材料领域有广泛应用。但受限于流动聚焦结构微流控结构通量低、易受压力波动或堵塞等问题，难以满足规模化生产。为此，Ofner等提出了一种基于串联玻璃微流控阶梯乳化技术的高通量、高精度封装方法(图9)，用于大规模制备单分散双重乳液(W/O/W 或 O/W/O)和功能性微胶囊^[8]。该装置通过并行1000个液滴生成单元，以50 mL/h通量连续运行5 h以上。该技术为药物、农业和功能材料等领域的封装应用提供了新的解决方案。

图9 .基于串联玻璃微流控阶梯乳化示意图

3.2.2 组织工程与再生医学

基于液滴微流控技术的水凝胶微球在组织再生中应用广泛，但单个液滴生成结构难以实现量产，限制了其在组织工程与再生医学中的应用。为此，Zheng等开发出了一种基于高通量阶梯乳化微流控装置制备封装碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)和黑磷(BP)的甲基丙烯酰化明胶(GelMA)水凝胶微球用于伤口修复^[9](图10)。在伤口愈合模型中，该体系展现出优异的血管再生促进作用和胶原沉积效果，显著加速伤口愈合。该技术为伤口修复、组织工程及药物递送领域的规模化生产提供了高效解决方案。

图10. 基于阶梯乳化的GelMA微球可扩展制备及伤口修复应用示意图

针对上述问题，Rutte等人提出了一种基于并行化阶梯乳化微流控技术和pH调控交联技术可连续生产高度均一的PEG微凝胶，以构建模块化微孔组织支架^[10](图11)。通过油相溶解的有机碱精确调控pH诱导交联，实现微球刚度大范围调节(0.5–13.5 kPa)。在体外实验中，人真皮成纤维细胞在刚性微孔支架内增殖速度提升2倍以上，并形成密集3D网络；通过混合不同刚度微球，首次构建出机械异质支架，细胞优先黏附于高刚度区域。该技术为复杂组织再生和3D生物打印提供了可定制化模块单元。

图11 .基于阶梯乳化的微凝胶生产和原位支架形成概述

3.2.3 单细胞分析与诊断平台

具有特定形状和空间化学修饰的微粒在单细胞分析、组织工程支架和细胞载体等领域有重要应用价值。然而，传统的制备微颗粒的方法在生产通量、颗粒形状和化学功能化的精度之间难以兼顾。为此，Lee等设计了一种基于温控相分离的并行化阶梯乳化技术(图12)，攻克了复杂结构微粒高通量制备与空间功能化难题^[11]。该技术利用PEG-明胶双水相体系，通过阶梯乳化高通量制备粒径均一液滴，再经降温诱导相分离形成核壳结构，最终紫外交联固化并去除大部分明胶获得具有3D空腔结构的月牙形微球，其产能突破4000万/小时。采用该方法可实现明胶选择性富集于21 μm空腔界面，实现抗体精准定位；其细胞级应用展现三大优势：单细胞捕获率超泊松分布50%，流式分选后细胞存活率提升至80%(游离细胞仅54.9%)，分泌检测串扰降低50%。该体系为单细胞分析及细胞治疗载体的规模化生产提供了高效解决方案，通量可扩展至亿级。

图12. 基于阶梯乳化的诱导相分离的月牙形微球制备及其应用

 

总结

基于阶梯乳化微流控通过微通道几何参数(如喷嘴高度、长径比)直接调控液滴尺寸，摆脱对流速的依赖，奠定了高通量、高均一性微球的制备基础。并行集成化喷嘴与结构设计有效提升通量并抑制堆积，多材料(玻璃、PDMS、不锈钢)适配性扩展了应用至生物医药与功能材料领域。未来优化加工精度、开发可堆叠式芯片及探索动态响应型材料(如光/温敏水凝胶)将推动其迈向工业级生产。

 

参考文献

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[4] Ofner A, et al. High‐throughput step emulsification for the production of functional materials using a glass microfluidic device[J]. Macromol. Chem. Phys., 218, 1600472 (2017).

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[11] Lee S, et al. Scalable fabrication and use of 3D structured microparticles spatially functionalized with biomolecules[J]. ACS nano, 16, 38-49 (2021).