微流控制備多組分軟性生物材料

一、緒論易于在外部刺激下發(fā)生三維形變的軟性生物材料（softbiomaterial）在不同領(lǐng)域得到了廣泛研究。軟性生物材料通常是生物聚合物。它們可以被加工成不同的形狀和組成，兼具多種功能特性。與硬質(zhì)材料不同，軟質(zhì)材料的彈性模量通常低于10MPa，其特征取決于兩個關(guān)鍵因素：結(jié)構(gòu)單元的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)間相互作用。軟性生物材料具有獨特的性質(zhì)，如形狀記憶、自振蕩、可拉伸性以及多種生物相關(guān)特性，包括生物相容性、生物降解性、低抗原性和高生物活性。因此，軟性生物材料被廣泛應用于組織工程、生物醫(yī)藥、體外診斷、電子皮膚和軟體機器人等領(lǐng)域。軟性生物材料的發(fā)展已呈現(xiàn)出從簡單組合到多組分構(gòu)建的趨勢。具有不同成分、尺寸和架構(gòu)的多組分軟性生物材料（multicomponentsoftbiomaterial）允許集成多樣化組件，因此可以適應多種功能。這種復合生物材料可以很好地滿足更復雜應用場景的要求。近年來，已經(jīng)開發(fā)出了多種策略以制備多組分軟性生物材料。這些方法可以分為“自上而下”和“自下而上”兩類。“自下而上”策略是指通過受控自組裝、定向生長以及模板合成來構(gòu)建包括原子、單體和納米粒子在內(nèi)的構(gòu)件。與“自上而下”的方法（即傳統(tǒng)的微加工方法，如光刻）相比，“自下而上”的策略在解決固有尺寸限制和加工限制等問題方面具有巨大潛力，并且能以相對較低的成本設計創(chuàng)建任意微結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)的大批量合成平臺在混合、成核、生長、組裝和反應過程中缺乏準確性，難以支持多組分生物材料的批量合成。因此，需要探索出能實現(xiàn)精細化控制的先進制造方法來解決這些限制。微流控（microfluidic）技術(shù)是制備多組分軟性生物材料的極佳策略。它將液體限制在幾百微米以下的微通道中，并提供亞微升級別的精確流量控制。與宏觀系統(tǒng)相比，微流控技術(shù)提供了一個受限的微型反應系統(tǒng)，具備均勻的物理化學環(huán)境。此外，通過合理設計微流控通道，可以將多相流按照理想方式整合，從而實現(xiàn)產(chǎn)物形態(tài)和成分的多樣性。這種能力對于制備多組分軟性生物材料非常有利，因此，微流控技術(shù)已成為可控制備具有復雜微結(jié)構(gòu)和多功能特性的多組分軟性生物材料的先進工具。目前應用微流控技術(shù)合成出了多種多組分軟性微粒、微纖維和復合材料，它們在生物醫(yī)學領(lǐng)域得到了廣泛的應用。本文概述了多組分軟性生物材料的微流控合成及其生物醫(yī)學應用的最新進展。我們首先介紹了典型的軟性生物材料種類及其獨特的物理化學性質(zhì)。接著，我們描述了用于制備多組分軟性生物材料的微流控平臺構(gòu)建及其相應產(chǎn)物，聚焦于微粒、微纖維和其他復合材料。我們強調(diào)了這些材料的獨特成分、形態(tài)和顯著優(yōu)點。然后，我們介紹了這些多組分軟性生物材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用，包括藥物遞送、組織工程和生物診斷等，重點突出了微流控合成策略的獨特優(yōu)勢。最后，我們深入討論了微流控技術(shù)在制造多組分軟性生物材料方面的現(xiàn)存挑戰(zhàn)和未來前景。二、典型軟性聚合物聚合物及衍生復合材料占軟性生物材料的大部分，包含天然和人工合成材料。典型的軟性聚合物包括水凝膠、彈性體等。水凝膠已成為研究最為廣泛的軟材料之一。它們的特征是包含親水性聚合物網(wǎng)絡，具有高含水量和良好的生物安全性。同時，水凝膠具有與人體組織接近的楊氏模量，較為柔軟。因此，它們在生物醫(yī)學應用中具有重要價值，如用于藥物釋放、組織工程和生物診斷。彈性體，尤其是具有相當韌性的彈性體，通常可以在外部刺激下發(fā)生變形并恢復其原始形狀。水凝膠和彈性體都由移動聚合物鏈的交聯(lián)網(wǎng)絡構(gòu)成。幾種交聯(lián)方法已被用于從單體前體制造聚合物材料，沒有這些方法，預聚物的機械性能不足，將會對實際應用構(gòu)成巨大障礙。交聯(lián)后，相互連接的聚合物鏈使材料的機械強度及穩(wěn)定性增強。常見的軟性聚合物及其代表性交聯(lián)方法列于表1。表1常見軟性聚合物及其交聯(lián)方法

（一）水凝膠水凝膠是一種通過物理或化學相互作用交聯(lián)形成3D網(wǎng)絡的親水聚合物。水凝膠最吸引人的特點之一是它們可以保持水分并維持特定形狀，同時能夠響應各種外部刺激因素（如pH值、溫度、電磁場和生物分子等）而發(fā)生變形，并釋放水分。水凝膠的濕潤特性和刺激響應性與生命組織類似。在對外部刺激作出反應的過程中，水凝膠會發(fā)生變化，進而影響和調(diào)節(jié)其他特性。目前存在種類繁多的水凝膠來源，包括天然產(chǎn)物、合成聚合物、共聚物以及復合混合物等。一些代表性水凝膠的化學結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。圖1.典型軟性聚合物的化學結(jié)構(gòu)及其常見交聯(lián)方法。（a）藻酸鹽（i）、殼聚糖（ii）、瓊脂糖（iii）、透明質(zhì)酸（iv）、明膠（v）、聚乙烯醇（vi）和聚乙烯吡咯烷酮（vii）的化學結(jié)構(gòu)；（b）從單體前體生成軟性生物材料的交聯(lián)方法，包括離子交聯(lián)、疏水作用、氫鍵連接、化學交聯(lián)、光交聯(lián)和酶交聯(lián)。多糖、蛋白質(zhì)和細菌生物聚合物是可用于構(gòu)建水凝膠材料的常見天然聚合物。多糖是典型的碳水化合物，由通過糖苷鍵連接的聚合物組成，根據(jù)電荷可以分為陽離子、陰離子和非離子類別。多糖通常具有可電離的側(cè)基，如果膠的羧酸鹽、殼聚糖的胺，這決定了它們在某些pH值條件下的電荷密度。多糖的物理化學特性易于通過表面改性進行調(diào)整。它們具有良好的水溶性、生物相容性和生物降解性，加之高豐富性和低成本優(yōu)勢，這些特性使它們在多種生物醫(yī)學場景中具有廣闊的應用前景，如有效的藥物釋放、細胞封裝和生物傳感器等。蛋白質(zhì)通常由通過肽鍵連接的多個氨基酸殘基構(gòu)成，它們在維持生命活動中起著至關(guān)重要的作用，支持并調(diào)節(jié)著細胞、組織和器官的功能。球狀和纖維狀蛋白質(zhì)是其兩大類形態(tài)。蛋白質(zhì)的氨基酸序列決定了它的相對分子質(zhì)量、構(gòu)象和其他理化特征。蛋白質(zhì)已被廣泛用于制造各種生物醫(yī)學領(lǐng)域所需的軟性生物材料。除了天然聚合物外，合成聚合物也是水凝膠材料的重要來源。合成聚合物水凝膠的性質(zhì)不同于天然聚合物，其結(jié)構(gòu)單元具有不同的化學結(jié)構(gòu)。調(diào)整合成中涉及的化學成分或參數(shù)（即溫度、前體濃度、交聯(lián)方法、交聯(lián)元素等）會帶來全新的性質(zhì)。聚乙二醇（PEG）是目前應用最廣泛的合成水凝膠之一。PEG衍生水凝膠具有良好的生物相容性、溶脹能力和低毒性，是藥物遞送的優(yōu)良載體?；诰垡蚁┐迹≒VA）的水凝膠提供了相對潤濕的環(huán)境，作為傷口敷料有利于加速創(chuàng)面修復?；诰垡蚁┻量┩橥≒VP）的水凝膠可以通過簡單、清潔的輻射交聯(lián)獲得，也被廣泛應用于生物醫(yī)學領(lǐng)域。以往的研究表明，具有可逆交聯(lián)和動態(tài)網(wǎng)絡的水凝膠有著獨特的黏彈性，這對于藥物輸送和細胞調(diào)節(jié)具有關(guān)鍵意義。這些黏彈性材料可以結(jié)合到微流控軟性生物材料系統(tǒng)中，例如，將納米凝膠或納米復合材料封裝到微球或微纖維中將有助于控制這些材料的宏觀和微觀性質(zhì)。（二）彈性體彈性體是具有類似橡膠彈性的聚合物，它們可以在施加外部載荷時反復變形，并在移除載荷時恢復其原始形狀。聚氨酯（PU）、聚烯烴和聚酯是典型的彈性體。它們的彈性主要取決于聚合物的分散性和交聯(lián)位置的相對分子質(zhì)量均勻程度。彈性體是智能紡織品、可穿戴設備和軟體機器人的關(guān)鍵基材。聚硅氧烷是該領(lǐng)域最常用的聚合物，它具有介電性能優(yōu)良、易改性、易加工的特點。柔性材料PU擁有高介電常數(shù)和出色的耐磨性，而熱塑性聚氨酯（TPU）尤其具備突出的形狀記憶功能，能夠在外部刺激下保持和恢復原形狀。（三）軟性聚合物的交聯(lián)從單體前體制備聚合物材料的典型交聯(lián)方法如圖1（b）所示。超分子組裝體可以由化學物質(zhì)通過可逆弱分子間相互作用（如離子相互作用、疏水作用力和氫鍵）結(jié)合在一起而形成。例如，在生物聚合物溶液（如藻酸鹽和果膠）中添加二價陽離子（如Ca2+），兩者通過離子交聯(lián)快速固化；基于蛋白質(zhì)（如牛奶蛋白）的熱響應水凝膠可以通過疏水相互作用經(jīng)由熱變性制成；對于某些多糖（如瓊脂糖），加熱后溶液冷卻會發(fā)生凝膠化，它們通過氫鍵來穩(wěn)定3D結(jié)構(gòu)?；瘜W交聯(lián)是另一種交聯(lián)方法，是在反應式官能團之間形成共價鍵。與通過物理作用結(jié)合的凝膠網(wǎng)絡相比，通過共價鍵連接的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定堅固，通常會在體內(nèi)環(huán)境中表現(xiàn)出更強的機械特性和長時間穩(wěn)定性。在常規(guī)化學交聯(lián)策略中，席夫堿反應是最廣泛使用的方法之一，其核心是在生理條件下在氨基和醛基內(nèi)產(chǎn)生亞胺鍵。光交聯(lián)和酶交聯(lián)方法因其反應迅速的特點而被應用于原位固化，過程僅需約10min。三、微流控制備多組分軟微?；谖⒘骺丶夹g(shù)，不同形式的多組分軟微粒被開發(fā)出來。微流控平臺通過剪切多相流體獲得均勻的乳液液滴。微流控技術(shù)在微粒制備中具有突出的優(yōu)勢，如對尺寸、形態(tài)、表面形貌、成分等的精確控制。目前已經(jīng)通過乳液液滴模板合成了多種多組分軟微粒，包括微球、非球形微粒、中空/多孔微粒、Janus微粒、微膠囊和復雜多核軟微粒。（一）液滴微流控技術(shù)微流控液滴技術(shù)最優(yōu)越的特點是其能夠連續(xù)生成單分散乳液液滴。液滴的產(chǎn)生可以通過在流體碰撞位置調(diào)整兩種或多種不混溶的溶液來完成，其中黏性應力和界面張力的存在會導致分散流體夾斷，進而得到液滴。調(diào)整兩相流道的幾何形狀和流體參數(shù)可以很好地控制液滴大小和單分散性。得益于這些優(yōu)點，液滴微流控已被廣泛用于制備包含多組分軟性生物材料的微粒。最廣泛采用的微流控通道幾何結(jié)構(gòu)是同流式（同軸連接）、流動聚焦式和錯流式（T形連接），如圖2（a）~（c）所示。在同流式通道中，內(nèi)相和外相以同心居中方式通過兩條管道流動[圖2（a）]；在流動聚焦式通道中，分散相通過單通道注入并被兩股連續(xù)相流包圍[圖2（b）]；在T形結(jié)構(gòu)中，兩相流體以垂直方向流動[圖2（c）]。液滴尺寸可以通過調(diào)節(jié)分散相和連續(xù)相的黏度、流速比、毛細管尖端尺寸和表面活性劑濃度來控制。除了被動法生成液滴之外，研究人員還開發(fā)了依賴外力的主動方法，如電磁場、熱毛細管、聲學等驅(qū)動系統(tǒng)。Wang等設計了一種電極驅(qū)動的液滴生成裝置。首先，液體在電場的驅(qū)動下被擠出容器。當電極關(guān)閉時，液流形成狹窄頸狀并最終被夾斷，生成液滴，如圖2（d）所示。實際上，微流控中的微液量要求對制造微粒造成了障礙?？諝馕⒘黧w利用射流噴射到空氣中產(chǎn)生液滴，并控制射流破裂和聚結(jié)，其液滴產(chǎn)生頻率是基于芯片的微流控方法的兩倍。在這種方法中，如圖2（e）所示，液滴列從噴嘴1中擠出，并與從噴嘴2中噴出的射流發(fā)生碰撞。圖2.基于微流控技術(shù)的液滴生成。三種常用于產(chǎn)生液滴的微通道結(jié)構(gòu)，包括：（a）同軸連接；（b）流動聚焦式；（c）T形連接；（d）一種電驅(qū)動微流控系統(tǒng)，裝載可夾斷液滴的電極；（e）“滴射”模式下的空氣微流體圖像。

（二）Janus軟微粒和多區(qū)軟微粒Janus微粒是具有雙相幾何形狀和兩個不同組分半球的粒子，該結(jié)構(gòu)賦予單個微粒兩組完全不同的物化性質(zhì)和特征。當兩個分散相相互接觸并同時被連續(xù)相乳化時，可以生成含有兩相或多相的液滴。隨后通過相分離、聚合、溶劑蒸發(fā)等方式固化液滴，制備得到Janus或多區(qū)微粒。當兩個分散相組分容易相互溶解時，需要對稱的通道結(jié)構(gòu)設計確保內(nèi)相在微流控通道內(nèi)保持完整的Janus結(jié)構(gòu)，否則兩種成分在形成液滴時往往會發(fā)生混溶。當兩個內(nèi)相組分不能相互溶解時，可以忽略兩相間的混溶。在這種情況下，除了對稱的芯片架構(gòu)外，不對稱幾何通道（如T形）也可用于生成Janus液滴，這大大簡化了微流控芯片的制造要求。通過向多個內(nèi)相通道注入不同種水凝膠前體溶液，并對生成液滴中的全部溶液進行快速凝膠化，制造出了多區(qū)凝膠軟微粒。如圖3（a）所示，他們首先構(gòu)建了流動聚焦式PDMS芯片來制造海藻酸鹽液滴，當海藻酸鹽和外相中的鈣（Ca）離子接觸時，離子交聯(lián)固化成不同區(qū)室間具有明顯界面的軟性微凝膠。通過集成離心裝置和多口毛細管的液滴生成器，展示了一種均勻多區(qū)分布的藻酸鈣水凝膠微粒的新型制造策略[圖3（b）]。他們利用多口毛細管將不同的獨立內(nèi)相流體引導到相同的外相中，將液體剪切成Janus和多區(qū)微液滴。圖3.Janus、多區(qū)和核殼軟微粒的微流控制備。（a）熒光顯微圖像顯示使用微流控芯片制成的多區(qū)水凝膠微粒，PDMS芯片具有多個分散相通道（比例尺：100μm）；（b）基于離心驅(qū)動和多口毛細管裝置生成多區(qū)微液滴；（c）橡子狀微粒的形成過程；（d）雪人形Janus聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）微粒的熒光和光學顯微圖像（比例尺：5?μm）；（e）基于溶劑蒸發(fā)和自發(fā)微乳液聚合生成的聚（乳酸-乙醇酸）共聚物（PLGA）核殼微粒；（f）具有甲基丙烯酸明膠（GelMa）內(nèi)核和PLGA外殼的核殼微粒。除了同時乳化多種內(nèi)相流體的方法，還有其他制備具有各向異性特征的Janus或多區(qū)軟微粒的方法被開發(fā)出來。Min等報道了一種利用相分離產(chǎn)生多區(qū)微粒的策略，如圖3（c）所示。由兩種不混溶聚合物組成的均勻液滴由基于毛細管的微流控芯片制成。隨著溶劑的蒸發(fā)，兩種聚合物的相分離在固化過程中被觸發(fā)。當溶劑徹底揮發(fā)，液滴完全固化得到橡子狀Janus微粒。聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是一種廣泛用于合成具有生物相容性軟材料的聚合物。據(jù)研究，過飽和的N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）前體溶液會發(fā)生液-液相分離過程。制備了雪人形Janus水凝膠微粒，制備過程中只引入了一種單體水溶液形成液滴，液滴中水分揮發(fā)導致了NIPAM前體溶液的相分離并最終產(chǎn)生相應的Janus微滴[圖3（d）]。隨后通過紫外線（UV）照射使單體光交聯(lián)，得到具有熱響應性的異形PNIPAM微粒。（三）核殼軟微粒核殼微粒是由殼層和封裝在其內(nèi)的不同形式的內(nèi)核組成。得益于精巧的包裹結(jié)構(gòu)，這些微粒展現(xiàn)了多樣化的功能，如有效藥物封裝和可控遞送。傳統(tǒng)的大批量乳化途徑所得的核殼軟微粒在尺寸和構(gòu)型上存在明顯的不均勻性，這些微粒無法滿足實際要求。液滴微流控能夠制造尺寸和形狀高度可控的均勻液滴，從而解決了這一難題。核殼微?？梢酝ㄟ^微流控技術(shù)結(jié)合相分離、自組裝和表面反應等機制來獲得。采用溶劑蒸發(fā)和自發(fā)微乳液聚合原理制備了新型核殼微粒，如圖3（e）所示。Li等設計了包含甲基丙烯酸明膠（GelMa）內(nèi)核和聚（乳酸-乙醇酸）共聚物（PLGA）外殼的單分散微粒。兩種不同的生物聚合物溶液作為分散相和連續(xù)相，隨后生成的雙乳液液滴分別經(jīng)過光聚合和溶劑蒸發(fā)后固化，如圖3（f）所示。（四）多孔軟微粒多孔微粒因其獨特的形態(tài)和特性而在生物醫(yī)學應用中具有重要意義。當使用液滴微流控平臺生成多孔微粒時，表面及內(nèi)部孔洞的形成機制可分為五種方法：觸發(fā)聚合、犧牲模板、流體反應、自組裝和流體光刻。反蛋白石結(jié)構(gòu)是一種通過犧牲模板法制備的典型多孔構(gòu)造。Chen等利用光子晶體正結(jié)構(gòu)模板進一步獲得了具有互連多孔結(jié)構(gòu)的殼聚糖反蛋白石球。首先由二氧化硅納米粒子以六方密堆積的形式自組裝形成二氧化硅膠體晶體微粒（SCCB），隨后將殼聚糖預凝膠溶液滲透到納米粒子之間的縫隙中，并通過紫外照射進行聚合。在氫氟酸中去除SCCB模板后，形成了大孔凝膠支架[圖4（a）]。殼聚糖反蛋白石微粒在促進細胞分布和遷移以及溫度響應性藥物釋放方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。通過溶劑蒸發(fā)誘導的相分離過程得到了具有凹坑形態(tài)和多孔內(nèi)部的高爾夫球狀微粒，其擁有比光滑球形微粒更大的比表面積。基于成果，通過增加聚合物的比例進一步加大了表面凹陷程度，如圖4（b）所示。除了應用單個液滴作為多孔微粒的模板外，具有多個內(nèi)部液滴的雙乳液體系也可以生成多孔微粒。通過將液滴芯片與脈沖電場控制的二級分裂單元耦合，實現(xiàn)了可控多孔微粒的制造，如圖4（c）所示。圖4.多孔軟微粒和其他類型復雜形狀微粒的微流控制造。（a）SCCBs（i）、具有互連孔隙的反蛋白石微粒（ii）、一次灌膠SCCB微粒（iii）的表面及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，其中殼聚糖水凝膠填充孔隙（比例尺：500nm）；（b）高爾夫球狀微粒的SEM圖像；（c）在三種不同電壓值下制備的乳液液滴及固化后多孔微粒的顯微鏡圖像；（d）由變形液滴固化得到的片狀和棒狀聚（乙二醇二甲基丙烯酸酯）（EGDMA）微粒的圖像（比例尺：200μm）；（e）通道中多相流及相應生成的紗線球狀微粒的圖像。（五）具有復雜結(jié)構(gòu)的多組分軟微粒具有其他復雜構(gòu)型的多組分軟微粒也表現(xiàn)出與眾不同的特性。將可光固化液滴限制在具有各種尺寸和配置的微通道內(nèi)，可以通過紫外線誘導的光聚合或者熱聚合直接固化獲得各向異性微粒。設計了一種綜合體系，通過調(diào)整液滴尺寸和微流控通道的橫截面形狀來生產(chǎn)多種異形三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）微粒。當液滴尺寸大于通道直徑時，可將液滴重塑為非球形（如桿狀、長方體和圓盤狀）。在微通道內(nèi)通過表面交聯(lián)將均勻的微液滴封裝到聚合物網(wǎng)絡中，以產(chǎn)生含有液滴的纖維基質(zhì)。通過拉伸和擠壓纖維狀基質(zhì)，可以形成異形微滴，隨后可生成多樣化的微粒，包括片狀、棒狀和針狀微粒。這些粒子能夠在磁驅(qū)動下進行旋轉(zhuǎn)和平移運動[圖4（d）]。應用微流控技術(shù)制備了具有特殊紗線球形狀的凝膠微粒，如圖4（e）所示。這些紗線球狀微粒表現(xiàn)出了球體和纖維的雙重優(yōu)點，并且具有顯著高于球形微粒的表面積與體積比（SA∶V）。四、微流控紡絲技術(shù)制備多組分軟纖維微纖維包括具有各向異性特性的長絲和由這些長絲組成的材料。類似于天然纖維的結(jié)構(gòu)和功能，人造軟纖維的形狀或長絲單元的排列對特定方向的拉伸強度或剛度有著關(guān)鍵影響。這些纖維材料在傳感器、可穿戴設備等生物醫(yī)學應用中發(fā)揮著重要作用。近來，微流控紡絲技術(shù)已被用于制造具有豐富形態(tài)和結(jié)構(gòu)的纖維材料，其基本原理是中心射流在鞘流中的會聚和凝固。為了形成堅固的微纖維，無論通道幾何形狀如何，都必須減弱兩相流體界面的不穩(wěn)定性。固化中心流體的方法根據(jù)中心流體的性質(zhì)大致可分為三種主要類型：光聚合、相轉(zhuǎn)化和離子交聯(lián)。（一）微流控紡絲技術(shù)微流控紡絲（microfluidicspinning）的機制源于微觀通道內(nèi)的液體層流。當多股流體相互接觸時，它們之間的混合主要由界面擴散主導。前體溶液流可以通過快速固化原位轉(zhuǎn)化為固體纖維，具體地，將含有前體溶液的樣品泵入單獨的入口通道，隨后調(diào)整通道結(jié)構(gòu)將纖維狀流體變形為多種形態(tài)，最后引入適配的固化機制以生成固體纖維并保持理想形狀。在此過程中，快速凝固至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的濕紡工藝相比，多樣化的固化方法可以與微流控紡絲技術(shù)靈活結(jié)合，包括光聚合、化學/離子交聯(lián)、相分離、溶劑蒸發(fā)/交換和界面組裝等。這些固化策略使更廣泛的材料用于纖維制造成為可能。許多軟性生物材料已被用于制備纖維，包括藻酸鹽、殼聚糖、GelMa、PLGA和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）等。碳納米管、金屬納米顆粒、氧化石墨烯（GO）和纖維素等添加劑也被引入紡絲過程中，賦予纖維特定的功能。此外，響應性聚合物組分（如NIPAM）可以賦予相應微纖維良好的動態(tài)響應性。目前已用于微流控紡絲的設備包括玻璃微量移液器、PDMS微通道、金屬針管等。報道了應用微流控策略來設計堅韌且具有高黏彈性水凝膠微纖維的基本原理。制備過程結(jié)合了雙網(wǎng)絡的固化制造，包括瓊脂相通過熱轉(zhuǎn)變的快速凝膠化以及隨后紫外誘導的丙烯酰胺（AAm）基單體聚合。裝置外部方形毛細管中的冰水有效地對內(nèi)部毛細管進行冷卻，從而生成前者的瓊脂網(wǎng)絡。功能成分也可以在微纖維內(nèi)同步原位合成，以賦予纖維理想的功能特性。微流控紡絲技術(shù)以連續(xù)流方式實現(xiàn)一步制造，因此適用于在微纖維中加入功能成分。通過調(diào)整微通道的尺寸和幾何形狀，可以制造出不同直徑和結(jié)構(gòu)的多種微纖維，包括空心、核殼、螺旋等復雜形狀，其中部分產(chǎn)物是傳統(tǒng)濕法或干法紡絲難以獲得的。因此，微流控紡絲技術(shù)以其成本效益高、傳質(zhì)快、可控性高、可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點，較好地適配了結(jié)構(gòu)和功能可控微纖維的生產(chǎn)需求。（二）核殼結(jié)構(gòu)軟性微纖維核殼結(jié)構(gòu)纖維可以使用同軸微流控芯片加以制造。開發(fā)了一種新型快速響應和高彈性水凝膠材料，隨后將其泵入同軸微流控芯片，以生產(chǎn)具有核殼結(jié)構(gòu)的熱響應纖維，如圖5（a）所示。由于其顯著的溫度響應性，纖維在溫度升高的環(huán)境中會發(fā)生收縮。進一步地，整齊排列的纖維陣列的收縮會導致水凝膠變形，這一過程模擬了肌肉纖維的運動。圖5.不同形狀和結(jié)構(gòu)的微流控軟纖維。（a）具有溫度響應性的核殼結(jié)構(gòu)水凝膠微纖維（左側(cè)圖比例尺：1mm；中間和右側(cè)圖比例尺：20mm）；（b）rGO/PU管狀微纖維及其壁層FE-SEM圖像；（c）螺旋形藻酸鹽微纖維（比例尺：350μm）；（d）Janus、三重和異質(zhì)軟性微纖維的示意圖和橫截面熒光圖像。（三）管狀軟性微纖維管狀纖維可用于人體生理模擬、組織工程和藥物輸送等研究。管狀（中空）纖維通常由具有三相同軸結(jié)構(gòu)的微流控紡絲裝置進行制備，其內(nèi)、外徑可以通過流速進行調(diào)節(jié)。設計了一個十二微通道平行化微流控平臺，以支持藻酸鹽微管的高通量大規(guī)模生產(chǎn)。通過原位光聚合的途徑在方形微通道中制備了具有方形橫截面的聚（乙二醇二甲基丙烯酸酯）（EGDMA）微管。通過應用包括明膠-羥基苯丙酸（Gtn-HPA）和聚砜在內(nèi)的一系列材料制造管狀微纖維，并將活細胞和生物活性成分[包括生長因子、細胞外基質(zhì)（ECM）和營養(yǎng)物質(zhì)]固定在水凝膠復合材料中。設計了一種可拉伸的液體處理裝置和一種由管狀、導電微纖維制成的電化學阻抗免疫生物傳感器[圖5（b）]。其制備的管狀微纖維由還原氧化石墨烯（rGO）、PU基質(zhì)復合組成，構(gòu)成了免疫生物傳感器裝置的微通道。管狀微纖維的高導電性和可拉伸特性使其能夠成為理想的檢測人體汗液的電化學工作電極。

（四）螺旋軟性微纖維螺旋微纖維可以在特定的流體黏度和流速條件下在微流控裝置中生成。通過整合多種流體，可以制備具有兩個甚至多個分區(qū)的螺旋纖維材料。采用同軸毛細管連續(xù)微流控系統(tǒng)制備了螺旋微纖維，如圖5（c）所示。當內(nèi)相海藻酸鈉流體被泵入CaCl2液流中時啟動紡絲，隨著Ca2+的擴散，快速凝膠化。有趣的是，當內(nèi)、外相流速比增加時，內(nèi)相流體的流動模式將從直線狀態(tài)變?yōu)槁菪隣顟B(tài)。由此可以精確調(diào)節(jié)螺旋狀微纖維的直徑和節(jié)距。（五）Janus、三重和其他異質(zhì)軟性微纖維目前，已有多項研究通過微流控紡絲技術(shù)制造了具有不同橫截面形態(tài)的異質(zhì)纖維，包括Janus、多組分和其他類型。為了生成Janus微纖維，通常會使用配備兩個獨立輸入通道和一個外部輸出通道的三相微流控裝置。使用有色和無色兩種4-羥基丁基丙烯酸酯（4-HBA）溶液作為內(nèi)相核心流制備了Janus水凝膠纖維。作為替代方案，Jung等應用具有簡單二相設計的微流控裝置來合成Janus的PU纖維。在其紡絲過程中，PU異氰酸酯基團與外相液流中的水發(fā)生反應并產(chǎn)生二氧化碳氣泡，隨后氣泡向上遷移并形成多孔上界面，最終得到具有多孔和無孔雙特性的Janus微纖維。除了Janus微纖維，還實現(xiàn)了不同顏色編碼的三重藻酸鹽微纖維的制備，他們采用的設備是由6個配備氣動閥的進液管道構(gòu)成，其纖維組成和形態(tài)可以獲得全面精確調(diào)控。類似地，Bell等實現(xiàn)了三重“牙膏狀”不對稱超膠體微纖維的微流控紡絲制備。改進了一種簡單的微纖維紡絲毛細管裝置，該裝置具有多個入口通道和分級射流通道，以獲得結(jié)構(gòu)更復雜的微纖維，如圖5（d）所示?？招暮Ｔ逅猁}微纖維是在先前的藻酸鹽內(nèi)相通道中再插入一個氯化鈣（CaCl2）入口管來制造的[圖5（d-i）]。一旦三種流體相互接觸，溶液立刻在內(nèi)外界面發(fā)生交聯(lián)，隨后可連續(xù)獲得中空微纖維。類似地，通過在藻酸鹽通道內(nèi)嵌入幾個CaCl2入口管來制造具有多個孔的微纖維，即增加毛細管裝置中分層注入通道的數(shù)量來制備具有多個殼層的中空微纖維。使用多通道毛細管作為內(nèi)相流道可實現(xiàn)多組分微纖維，如圖5（d-ii）所示，在其中，海藻酸鹽溶液的多種不同流體同時被泵入內(nèi)相管并原位固化以形成多組分微纖維。在通道內(nèi)，流體呈現(xiàn)層流狀態(tài)，不同海藻酸鹽溶液之間沒有明顯的擴散混合，因此微纖維不同組分之間的界面較為明顯。如圖5（d-iii）所示，通過結(jié)合中空纖維裝置和多組分纖維裝置的特征，還制備了具有多組分結(jié)構(gòu)的中空微纖維。

（六）其他復合軟性微纖維除了上述常見結(jié)構(gòu)的微纖維之外，大量研究聚焦在構(gòu)建集成微粒的復合微纖維。使用一種新型的微流控紡絲方法展示了類似項鏈的結(jié)節(jié)纖維。他們還可控地制造了半球和花瓣結(jié)節(jié)纖維，如圖6（a）所示。在一個包含同軸兩相入口管的微流控芯片中集成了微流控紡絲和液滴乳化。通過合理控制流速，外層流體可以被夾斷成紡錘狀的液滴，這些快速凝膠化的液滴隨后串在纖維上。所得微纖維具有周期性紡錘結(jié)，并產(chǎn)生接頭，如圖6（b）所示。則提出了一種內(nèi)部包裹有液滴的纖維，其脫水后收縮成竹子狀形態(tài)，如圖6（c）所示。圖6.其他復合軟性微纖維。（a）具有半球形和花瓣形結(jié)的中空藻酸鹽微纖維；（b）源自具有同軸兩相入口管的微流控裝置的紡錘結(jié)微纖維；（c）脫水后形成的仿生竹狀微纖維；（d）收集在滾筒中的濕紡微纖維，以及通過鉤針生成的3D支架來模擬肌腱和骨骼。此外，已經(jīng)開發(fā)了多種策略將微纖維組裝成更高階的結(jié)構(gòu)，以創(chuàng)建各種3D宏觀纖維來模擬組織。通過組裝具有特定形貌和成分的微纖維單元設計了一種3D纖維支架以模擬肌腱和骨骼，如圖6（d）所示。為了實現(xiàn)這一目標，濕紡微纖維首先由聚己內(nèi)酯（PCL）/明膠和PCL/明膠/羥基磷灰石（HAp）納米顆粒生成。調(diào)整微流控中的不同流速以調(diào)整微纖維的直徑和機械性能。然后，應用鉤針技術(shù)構(gòu)建3D纖維支架，并通過在其上培養(yǎng)干細胞來評估支架的生物學性能。除了編織之外，通過逐層堆疊微流控紡絲纖維實現(xiàn)了3D微結(jié)構(gòu)，這種方法對于在生物學研究中構(gòu)建組織模擬纖維網(wǎng)絡具有重要意義。生物打印是一項很有前途的技術(shù)，可用于構(gòu)建任意形狀的3D纖維結(jié)構(gòu)。通過將多個微流控通道與生物打印相結(jié)合，可以生成多組分微纖維組件。通常使用多入口Y形接頭通道的微流控生物打印頭，通過其進一步沉積材料和細胞。這些纖維材料在不同細胞的共培養(yǎng)、多重檢測、生物傳感等方面有著廣泛的應用。值得一提的是，微纖維柔軟的特性使其同時具備彈性，因此可以進一步組裝成更復雜的織物，并產(chǎn)生特定的功能。五、多組分軟性生物材料的應用微流控技術(shù)能夠以均勻且高度可控的方式制造多種多組分軟材料，通過特定成分的整合，賦予新材料一定的物理化學和生物學特性，如刺激響應能力、機械強度、生物相容性和柔韌性等。因此，微流控制備的多組分軟性生物材料已被廣泛應用于各個領(lǐng)域，尤其是生物醫(yī)學領(lǐng)域。

（一）藥物輸送活性劑的封裝和控釋對于藥品食品、香料和化妝品的遞送系統(tǒng)至關(guān)重要。為了確保有效的藥物輸送，通常將藥劑以適當?shù)膭┝糠庋b在某種載體中，并在特定的靶標位置釋放。在藥物輸送應用中，宿主對工程軟性生物材料的免疫反應是其功能化的重要因素。載藥軟性生物材料與細胞、組織和器官的相互作用有助于遞送過程和隨后的免疫反應。這些相互作用由顆粒的特性決定，包括化學組分、剛度、尺寸、形狀、機械特性和表面電荷等。特別地，軟性生物材料的表面形態(tài)往往在有效控制藥物釋放和局部免疫調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，通過傳統(tǒng)批量方法制備的藥物載體存在包封率低和釋放動力學控制不佳的問題，由微流控合成的材料能夠一定程度上解決這些問題。將界面不穩(wěn)定性和微流控流動聚焦技術(shù)結(jié)合，生產(chǎn)出具有均勻尺寸和可控表面紋理的PLGA-b-PEG微粒，如圖7（a）所示，所得聚合物顆粒表現(xiàn)出不同的粗糙度，隨后用于藥物包封。有趣的是，通過改變微粒的表面凸起程度，可以調(diào)控載藥效率和釋放動力學。結(jié)果表明，這些尺寸約為3μm的微流控聚合物顆?？梢杂|發(fā)細胞攝取行為并表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性?；谘芯?，借助溶劑揮發(fā)引起的界面不穩(wěn)定性機制開發(fā)了具有可調(diào)粗糙度的各向異性花粉狀褶皺微粒，如圖7（b）所示。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些具有高度表面紋理的藥物載體可以很容易地黏附在結(jié)腸黏膜的前部。因此，藥物可以裝載到聚合物基質(zhì)中，以進一步與人類結(jié)腸癌細胞和腸道炎癥部位相互作用。圖7.多組分軟材料在藥物輸送中的應用。（a）用于藥物封裝的具有不同粗糙度的PLGA-b-PEG微粒；（b）易于黏附在結(jié)腸黏膜上并緩慢釋放藥物的高度褶皺微粒；（c）生物素化微凝膠，熒光圖像顯示了其捕獲鏈霉親和素的能力。水凝膠微粒可用于移植細胞與免疫系統(tǒng)的物理隔離，例如，科學家進行了水凝膠包裹移植胰島從而遞送胰島素以治療糖尿病的研究。然而，克服移植后的過早免疫排斥反應一直是一項重大挑戰(zhàn)。水凝膠微粒是胰島移植的理想載體，它們可用于提供免疫保護屏障。與大片塊狀水凝膠相比，微粒的短擴散距離確保了營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣與周圍組織的有效交換，以維持胰島存活并增強胰島素從胰島向周圍脈管系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移。封裝在微流控噴霧制備的海藻酸鹽微粒中的胰島可用作實現(xiàn)免疫隔離和增強治療效果的平臺，如圖7（c）所示。有趣的是，一項研究通過比較宿主對直徑100~1000μm藻酸鹽水凝膠微球的反應來驗證材料尺寸的影響。調(diào)整微通道的幾何形狀或兩相流體參數(shù)可以控制所得微球的大小，這有助于完善大小依賴性免疫反應的機制。類似微粒，微纖維也可以作為藥物載體。與微粒載體相比，纖維載體通常表現(xiàn)出較低的初始突釋速率和受控的零級釋放曲線，使其成為藥物輸送應用的理想材料。此外，圓柱形纖維通常具有較高的比表面積，且長度和橫截面半徑都可以輕易調(diào)節(jié)。這種可調(diào)節(jié)性對于實際應用中的藥物輸送系統(tǒng)至關(guān)重要。成功地利用微流控制造了由兩親性三嵌段共聚物組成的微纖維支架，具有可控的孔隙率。他們將浸沒沉淀和溶劑蒸發(fā)的效果與微流控紡絲工藝相結(jié)合來控制孔隙率。結(jié)果表明，纖維的孔隙率對模型纖連蛋白的釋放具有顯著影響。（二）組織工程組織工程已被證明有望用于組織/器官再生和移植。組織工程的原理涉及以下幾個步驟：首先從患者的活檢樣本中分離出健康細胞，然后將細胞在體外擴增并接種或封裝在載體中。工程組織構(gòu)建體通常在體外預培養(yǎng)并轉(zhuǎn)移到患者體內(nèi)以替換受損組織，它們是由多種類型的細胞以及細胞外基質(zhì)（ECM）組成的3D結(jié)構(gòu)。某些組織的功能由多種信號介導，包括細胞間信號傳導和細胞-細胞或細胞-ECM間相互作用。由微流控制備的微凝膠可以作為構(gòu)建組織工程支架的基本單元。這些組織結(jié)構(gòu)的應用已得到廣泛研究，如骨/軟骨再生、干細胞培養(yǎng)等。結(jié)合微流控技術(shù)，可以根據(jù)需要生成具有層次結(jié)構(gòu)的凝膠基質(zhì)，以支持細胞培養(yǎng)并形成3D組件。細胞在其中會以類似于體內(nèi)的形式進行組織，如紗線球形、核殼或管狀結(jié)構(gòu)。具有核殼結(jié)構(gòu)的纖維可以用來包裹細胞，通過應用毛細管微流控芯片制造了1m長的核殼水凝膠微纖維，其中包裹ECM蛋白和分化細胞，囊括了肌肉細胞、內(nèi)皮細胞和神經(jīng)細胞。這些纖維可用于重建活體組織（如血管、肌肉纖維和神經(jīng)束）的內(nèi)在形態(tài)，模擬其功能特性，如圖8（a）所示。圖8.多組分軟材料在組織工程和多重生物測定中的應用。（a）用于原代心肌細胞封裝的蛋白微纖維；（b）扁平微槽藻酸鹽纖維上的皮質(zhì)神經(jīng)元排列（比例尺：50μm）；（c）蝌蚪蛋形藻酸鹽微纖維用于間充質(zhì)干細胞（MSC）球體培養(yǎng)；（d）用于免疫測定和HepG2細胞培養(yǎng)的編碼光子晶體（PhC）微球；（e）與目標miRNA孵育后，三種不同結(jié)構(gòu)色編碼微球的光學顯微圖像和熒光圖像。廣泛的研究已經(jīng)報道了使用微流控紡絲微纖維來誘導不同的細胞取向生長，如成肌細胞、成纖維細胞和心肌細胞等。設計了一種表面刻有微型凹槽（直徑小于100μm）的藻酸鹽纖維，隨后將神經(jīng)元細胞接種到帶凹槽的纖維上[圖8（b）]，細胞隨著凹槽排列生長。此外，通過其他方法制造的圖案化微纖維也證明了其對細胞引導的能力。構(gòu)建了具有定向亞微米形貌的藻酸鹽纖維，可以通過調(diào)控微流控紡絲技術(shù)的參數(shù)來調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)。培養(yǎng)在圖案化纖維表面的細胞展示出沿纖維軸有序擴散的趨勢。通過應用三相流PDMS微流控裝置，得到了蝌蚪蛋形的復合軟性微纖維，如圖8（c）所示。隨后，這些微纖維為細胞培養(yǎng)創(chuàng)建了3D微孔模板，從而增強了軟骨細胞的分化能力以用于骨修復。（三）多重生物檢測在藥物研發(fā)和臨床診斷中，迫切需要高效的多重檢測策略。一種有潛力和前景的檢測載體是使用編碼微球，對有關(guān)其特定成分的信息進行編碼，以實現(xiàn)簡單的識別。微流控技術(shù)是均一合成軟性編碼微載體的有效途徑。所得微粒具有高靈活性、快速反應時間、較少試劑消耗和良好重復性的特性。與包裹染料色素或熒光分子進行編碼的各向同性微載體相比，各向異性多組分軟微?？梢杂行У貙崿F(xiàn)編碼量的放大。除了微粒本身攜帶的編碼信息，其自身形狀、組成和某些圖案化的表面特征等也可以成為附加的多種編碼元素。因此，各向異性多組分編碼微粒的檢測效率與傳統(tǒng)的各向同性編碼載體相比有所提高。利用微流控多重乳液液滴模板，可以制備出大量精美的多組分編碼微粒。利用次序乳