荷兰特温特大学Science Advances：空气微流体（In-Air Microfluidics）3D打印活细胞结构

【引言】

微流体技术，是指把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成于生物芯片中，并经由微流道形成网络，以可控流体流遍整个系统，从而取代化学或生物等领域一些常规实验的一种技术。其技术基于微流控芯片，即完全可预测的流动行为与在线液体操作和监测手段。主要过程为液体从内部通道喷出，并被外部共混液体（coflowing liquid）拉出，形成单分散的液滴列，如图1A所示。传统的微流控芯片在转化为临床及工业产品上仍有较大距离。主要表现在：1，由于液滴在微流控芯片内操作，微流体液滴发生器的喷射量通常为1—10μl/ min。2，设计、制造和操作微流体装置需要先进的技术和专业设备。3，去除coflow（例如油）非常困难。

【成果简介】

近日，荷兰特温特大学的Claas Willem Visser等人提出了空气微流体（In-Air Microfluidics-IAMF）技术，一种新型的无芯片平台技术，可以在空气中形成液滴，纤维和颗粒，并将其进一步沉积成具有内部架构的3D模型。在IAMF中，液体微射流被操纵并在空气中结合，如图1B所示。喷嘴1喷出的液体射流分解产生一列单分散的液滴，液滴列撞击从喷嘴2喷射的完整液体射流，导致复合单分散液滴列向下流动。当在空中飞行时，这些化合物发生化学反应或物理反应，形成包封的液滴，颗粒，或者纤维。IAMF的关键物理机制是空中撞击，封装和固化。IAMF将消除微流控芯片壁引起的限制，从而带来微流体的新应用。其可以以比基于芯片的微流体技术高10至100倍的速率制造直径为20至300μm的单分散乳剂，颗粒和纤维。并且可以一步完成3D多尺度生物材料的制造。该成果在Science Advances上发表，篇名为“In-air microfluidics enables rapid fabrication of emulsions, suspensions, and 3D modular (bio)materials”。

【图文导读】

图1.  IAMF的概念。

（A）基于芯片的微流体技术可以对液滴和颗粒进行在线控制，使其成为多功能的平台技术。图片显示了通过协同流体coflow（粉红色）输送液滴（蓝色）的芯片设计。

（B）IAMF依赖于射流喷射和空气中的聚集，能够保持芯片微流体的在线控制，同时，流速可以比基于芯片的微流体高两个数量级。IAMF还能够实现微粒生产并将微粒直接沉积到3D多尺度模型化的生物材料中。

图2.  IAMF的物理原理。

（A）IAMF的高速液滴观测照片。喷嘴1喷出的液滴与喷嘴2喷出的喷流相碰撞。（B）IAMF喷射纤维的模式。比例尺，1mm。

（C）空中撞击，封装和固化机制的示意图。低表面张力液体在高表面张力液体的周围形成薄膜。

（D）高速液滴观测照片，其中液滴用荧光染料选择性标记。比例尺，1mm。

（E）高速液滴观测照片，其中射流用荧光染料选择性标记。在冲击和封装期间，液滴保持球形，而喷流在几个直径的行程内在液滴周围扩散。比例尺，1mm。

（F）在没有Marangoni驱动（即不同表面张力驱动）包封的藻酸盐微粒。比例尺，0.4mm。

（G）在有Marangoni驱动包封的藻酸盐微粒。比例尺，0.4mm。

（H）不同表面张力梯度Δσ和喷嘴直径（D1 = D2）下的颗粒形状。符号（m）表示球形颗粒，（□）表示不规则颗粒。实线为过渡线。比例尺，1毫米（黑色）和0.4毫米（白色）。

图3.  IAMF高通量生产具有各种组成，尺寸和形状的单分散微乳液和微悬浮液。左边的四个示意图表示相关的控制参数。

（A—F）IAMF以“液滴-射流”（ drop-jet）模式操作，能够生产单分散的（B）乳液，（C）双乳液，（D）球形颗粒悬浮液，（E）单材料颗粒，（F）多材料核壳颗粒。比例尺，200μm。

（G—K）调整参数为微粒大小。比例尺，200μm。

（H—J）分别使用20，100和250μm的喷嘴直径生产的颗粒。

（K）颗粒尺寸喷嘴直径和驱动频率的函数。从黑色到淡蓝色的颜色表示2.3，3.5，4，4.5，5，6，7和8 kHz的驱动频率。

（L—N）通过增加相对射流速度来制造细长颗粒。比例尺，200μm。

（O—Q）在“射流-射流”（ jet-jet）模式下的IAMF。能够生产（P）直链和（Q）珍珠花边形态。比例尺，200μm。

（R）不同喷嘴直径和喷射流量下的喷射频率。绿色圆圈是IAMF的数据点。红色方块是微流体液滴的数据点。液滴频率用灰色虚线表示。

图4.  3D多尺度模块化（生物）材料的一步式增材制造和注塑成型。

（A）通过堆叠形状稳定的核-壳颗粒来制造具有受控微结构的模块化自由形状。（B）通过将复合物射流沉积到旋转的基底上而形成中空圆柱体。比例尺，1cm。

（C）中空圆柱体由充液泡沫组成。比例尺，100μm。

（D）中空圆柱体由多材料固体组成，其中芯的交联剂被添加到壳中，反之亦然。比例尺，100μm

（E）只有液滴的芯在空气中固化，而较慢的固化壳使模具能够无缝填充。

（F）通过填充骨形模具来生产模块化结构。插图：水凝胶结构仍然在模具中。比例尺，5mm。

（G—H）3D多尺度模块化材料由MSCs（骨髓间充质干细胞）（粉红色）组成，包封在海藻酸盐微球（绿色）中，外部为葡聚糖 酪胺水凝胶（红色）。比例尺， 5mm（G）、100微米（H）。

（I）注射成型多尺度模块化组织结构。该构建体由包封在海藻酸盐微粒（绿色）中的胰腺β细胞（MIN6；具有蓝色核的米黄色）组成。载有细胞的微粒包封在含有人内皮细胞和干细胞（粉红色，带有蓝色核）的促血管生成纤维蛋白网络内。微环境支持MIN6细胞增殖，而大环境支持在体外培养7天内形成内皮细胞网络。HUVEC，人脐带内皮细胞。比例尺，100μm。

【小结】

本文介绍了空气内微流体（In-Air Microfluidics-IAMF）技术，其每个喷嘴流量通常超过基于芯片微流体的两个数量级。IAMF也省略了芯片制造和通道壁表面处理，防止了凝固诱发的堵塞，并且允许无油制造微粒（例如，微凝胶）。这些特性有利于微流体技术在不与微流控芯片兼容的环境中应用。此外，IAMF不需要高电压或旋转设备来保持液滴分离且可以进一步扩大颗粒组合物的多样性。

IAMF可以通过控制空气中微滴的凝固速度将其沉积到基材上，使得多尺度和功能材料的增材制造成为可能。该课题组将高形状保真度，高通量和细胞相容性结合在含细胞材料的增材制造中。IAMF可以使用低粘度油墨来形成形状稳定的颗粒，堆积成较大的固体结构。这种低粘度降低了喷嘴处的剪切应力，因此可以防止压力引起的细胞死亡。

文献链接：“In-air microfluidics enables rapid fabrication of emulsions, suspensions, and 3D modular (bio)materials”（Science Advances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aao1175）

本文由编辑部纳米材料组mengya整理编译，点我加入材料人编辑部。

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