1 引言：微流控芯片与液滴微流控

液滴微流控（droplet microfluidics）是在特征尺寸1—1000微米的微流控芯片内，以主动或被动方式生成一系列微小液滴的前沿技术。凭借微小特征尺寸带来的巨大比表面积，微流控芯片展现出传质传热高效、混合迅速、样品消耗极小、流体过程精确可控等独特优势，克服了传统间歇式生产方式的诸多不足。过去二十年，液滴微流控已被证明是合成高端多功能材料最具前景的路径之一，在化学反应、智能材料制备、细胞筛选、疾病诊断、栓塞治疗与生物样品检测等领域持续释放潜力。尤其对于微球、微胶囊、水凝胶微球等生物医用材料，液滴微流控可实现粒径均一、单分散性高、结构与组分可控的制备，为药物递送、细胞治疗与组织工程提供了全新的工具平台。

2 液滴生成原理与微器件设计

在微尺度下，重力与惯性力退居次要位置，界面张力与粘性剪切力成为主导液滴生成的核心作用力，研究者通常以毛细数（Ca）、雷诺数（Re）、韦伯数（We）等无量纲参数描述微分散过程。按驱动方式，液滴微流控可分为被动与主动两大类：被动方法依靠微流控芯片的几何结构，在T型、Y型、流动聚焦、同轴与阶梯微通道中实现水包油（W/O）、油包水（O/W）、水包水（W/W，即双水相体系）乃至多重乳液的可控生成；主动方法则引入磁场、电场、声波或光等外部能量，使液滴的生成与操控更加灵活、更易集成。从工程角度而言，微流控芯片设计、微流控芯片加工与微流控芯片定制水平直接决定液滴的尺寸与单分散性。PDMS微流控芯片凭借光学透明、生物相容、加工便捷等优势，是实验室中最常用的载体，其制备通常以SU8光刻胶模具为模板，涉及光刻、微纳加工等关键工艺环节。如图1所示，T型、流动聚焦、同轴等典型微器件配合不同流型，可稳定生成多种乳液体系，为微球与微胶囊的规模化制备奠定基础。

图1 微流控芯片中液滴生成的不同微器件结构与调控方式

3 表面修饰：调控微通道的润湿性

微通道的表面润湿性直接决定乳液类型与液滴稳定性。玻璃与硅基微流控芯片表面天然亲水，适合油包水液滴制备；而PDMS等聚合物材料表面能低、呈疏水特性，用于水包油体系时常需亲水修饰。常见的表面修饰技术包括化学接枝、涂层、梯度涂层、等离子体或激光粗糙化以及图案化等，通过在微通道表面引入醛基、氨基、羧基等功能基团，可精确调控表面的亲疏水性。表面修饰对生物芯片同样至关重要：醛基化、氨基化修饰的载玻片常用于核酸与蛋白质的固定，PEG修饰可显著降低非特异性吸附，亲水修饰与疏水修饰则分别适配不同乳液体系。近年来，超疏水涂层的水接触角已可达170度，配合Span 80、Pico-Surf等表面活性剂的使用，可有效抑制液滴聚并、提升生成稳定性与产率。图2汇总了微通道表面修饰的主要途径。

图2 微通道表面修饰的主要方法

4 微球制备：从液滴到功能微球

以液滴为模板，微流控平台可制备形貌可控、粒径均一的天然高分子微球与水凝胶微球，主流方法包括聚合、离子交联、溶剂蒸发与相分离等。聚合方法以光聚合最具代表性：紫外光诱导可在数秒内完成固化，且不会堵塞微通道，PEG—Dextran双水相体系经UV固化即可获得结构多样的水凝胶微球；离子交联利用海藻酸钠与钙离子的快速成胶反应制备海藻酸钙微球，也适用于壳聚糖、葡聚糖微球；溶剂蒸发法适用于PLGA等可降解聚合物的纳米微球制备，在药物递送中潜力巨大；相分离法还可制备Janus微球等多室结构材料。以海藻酸钙、壳聚糖、PLGA等为原料的微球兼具生物相容性、可降解性与低成本，已成为肿瘤治疗、生物检测、药物递送与细胞封装的重要候选材料。图3展示了微流控平台上微球制备的多种方法。

图3 微流控平台上微球制备的多种方法

5 生物医学应用：从药物递送到细胞治疗

在药物递送领域，基于双水相模板的海藻酸钙微胶囊可实现对活性分子的可控封装，PEG—Dextran微胶囊还能响应聚焦超声实现按需释药（图4）；在栓塞治疗中，液滴微流控制备的PVA微球、子弹形微粒表现出优异的栓塞性能，微球的弹性、表面粘附力与尺寸是决定栓塞效率的关键参数。在细胞治疗与再生医学方向，液滴微流控制备的水凝胶微球为细胞提供了温和的三维培养微环境，可用于干细胞封装、细胞运输、增殖与释放，是3D细胞培养芯片、类器官芯片与器官芯片发展的重要技术基础（图5）。此外，数字液滴微流控将样本分割为海量独立液滴，使微量核酸的扩增检测成为可能，数字PCR（ddPCR）已成功应用于流感与新冠病毒检测；磁驱动、电驱动等自动化液滴操控平台也为分子诊断与药物筛选提供了高通量、低成本的解决方案。

图4 液滴微流控用于生物微胶囊制备与药物递送

图5 水凝胶微球用于细胞封装与递送

6 挑战与展望

尽管液滴微流控已取得长足进步，其产业化仍面临液滴产率偏低、连续相流体浪费、微球分离纯化成本高等挑战。集成上万个液滴发生器的微流控芯片虽已实现每小时277克的微球量产（变异系数低于3%），但非牛顿流体、高粘流体等复杂体系的规模化制备仍有待突破。展望未来，开发新型生物相容双水相体系、发展高效经济的微球分离技术，以及将人工智能与微流控芯片深度融合——以机器学习预测液滴尺寸、优化芯片设计并实现自动化操控——将是推动液滴微流控从实验室走向临床与工业应用的关键方向。

参考文献：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01175-7