高浓度聚合物在亚微米颗粒粘弹性共流分离中的作用机制与应用研究

本研究针对亚微米颗粒（如细胞外囊泡EVs、病毒和细菌）在生物技术与诊断应用中分离精度不足的问题，系统探讨了高浓度聚乙烯氧化物（PEO）在粘弹性共流微流体系统中对100 nm和500 nm颗粒迁移行为的调控作用。研究发现，在特定高PEO浓度下，小颗粒（100 nm）反而比大颗粒（500 nm）更快聚焦于通道中心，颠覆了传统低浓度下的迁移规律。基于此，团队成功实现了二元颗粒混合物的高效分离，纯度分别达到88%（100 nm）和87%（500 nm）。该研究为优化基于尺寸的亚微米颗粒分离提供了新策略，显著提升了分离分辨率和应用潜力。

　　

在生物技术和医学诊断领域，高效、精准地分离亚微米颗粒——如细胞外囊泡（Extracellular Vesicles, EVs）、病毒和细菌——一直是一项关键挑战。传统方法如离心、过滤和沉淀不仅操作复杂，还容易因高剪切力破坏颗粒完整性，且难以规模化应用。尽管微流控技术凭借其精确的流体控制和可扩展性脱颖而出，但针对亚微米尺度的分离仍存在分辨率不足、依赖复杂外部场或器件结构等问题。粘弹性微流控技术利用非牛顿流体中的弹性升力，无需外部场即可实现颗粒的精准聚焦和分离，已成为一种极具前景的解决方案。然而，现有研究多集中于低聚合物浓度条件下的颗粒行为，对高浓度聚合物如何影响颗粒迁移与分离的机制仍知之甚少。

为了深入探索高浓度聚合物在粘弹性共流系统中的作用，来自澳大利亚格里菲斯大学的研究团队在《Talanta》上发表了一项创新研究。他们系统分析了聚乙烯氧化物（PEO）浓度、流速比（FRR）和总流速（TFR）对100 nm和500 nm颗粒迁移行为的影响，并意外发现了与传统认知相反的“反转迁移”现象：在特定高PEO浓度下，小颗粒反而比大颗粒更快地向通道中心迁移。这一发现不仅深化了对粘弹性流体中颗粒动力学的理解，还为高通量、高纯度亚微米分离技术的开发提供了新思路。

研究团队主要采用了微流控器件设计与制备、荧光颗粒轨迹追踪、纳米颗粒追踪分析（NanoSight NTA）以及流变学表征等关键技术方法。其中，微流控芯片通过标准光刻和软光刻技术加工而成，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料，通道设计包含对称共流结构、直通道段和扩展出口区域。实验过程中，通过调节鞘流与样本流的PEO浓度、FRR和TFR，结合高速荧光显微成像和NTA尺寸分析，定量评估了颗粒的迁移行为和分离效率。

4.1. 鞘流PEO浓度的影响

当样本PEO浓度固定为2,000 ppm时，鞘流浓度从1,000 ppm增至10,000 ppm。结果显示，低浓度下（1,000–2,000 ppm），500 nm颗粒因弹性升力较强快速迁向通道中心，而100 nm颗粒迁移缓慢、靠近侧壁。但当鞘流浓度升高至3,000 ppm以上时，500 nm颗粒的聚焦效果反而分散，而100 nm颗粒在样本浓度升至3,000 ppm或5,000 ppm时开始向中心迁移。这表明高聚合物浓度会增强流体弹性和粘度，改变颗粒受力平衡，导致迁移行为反转。

4.2. 样本流PEO浓度的影响

固定鞘流浓度为2,000 ppm，变化样本浓度（2,000–10,000 ppm）。在低样本浓度下，100 nm颗粒仍分布于侧壁附近；但当样本浓度升至3,000 ppm以上时，这些小颗粒显著向中心迁移并聚焦，且在FRR较高时（2:1–5:1）效果更明显。相比之下，500 nm颗粒在所有条件下均能稳定聚焦于中心，但聚焦宽度随浓度和FRR增加而变窄。这进一步证实高样本浓度可显著增强弹性效应，促进小颗粒的迁移。

4.3. 总流速的影响

在固定FRR（5:1）下，总流速从600 μL/h增至1,800 μL/h。结果表明，较高流速（剪切率）可增强弹性升力，促进颗粒迁移。对于100 nm颗粒，在样本浓度为3,000 ppm和5,000 ppm时，提高流速能改善其向中心的聚焦；而500 nm颗粒在各类条件下均保持中心聚焦，且聚焦宽度随流速增加而收缩。这说明通过调节流速可在高浓度条件下进一步优化分离分辨率。

4.4. 100 nm与500 nm二元混合物分离

基于上述发现，团队在样本PEO浓度3,000 ppm、鞘流浓度1,000 ppm、FRR为4:1和5:1的条件下成功实现了二元颗粒分离。与传统预期相反，100 nm颗粒迁移至中心出口（Outlet 1和3），而500 nm颗粒大量分布于侧出口（Outlet 2）。经NTA分析，分离纯度分别达到88.04±6.68%（100 nm颗粒，Outlet 3）和86.94±7.23%（500 nm颗粒，Outlet 2），富集因子最高为3.04。这一反直觉的现象为发展新型高精度分离策略提供了直接实验依据。

该研究系统揭示了高浓度PEO在粘弹性共流系统中对亚微米颗粒迁移的复杂影响机制，挑战了现有理论框架下“颗粒越大迁移越快”的传统认知。研究发现，在特定高浓度条件下，小颗粒因受到的粘性阻力相对较小、弹性贡献增强，可迁移更远距离并聚焦于中心；而大颗粒则在平衡力作用下稳定于侧壁附近。这一发现不仅拓展了微流控颗粒操纵的理论边界，还为EVs、病毒、细菌等生物颗粒的高纯度分离提供了可调、高效的解决方案。未来，通过并行化芯片设计和流程优化，该技术有望在临床诊断、生物制药和纳米材料合成中发挥重要作用。