微流控颗粒制备中紫外交联的细微之处：紫外剂量和强度至关重要

《Journal of Colloid and Interface Science》：Subtleties of UV-crosslinking in microfluidic particle fabrication: UV dosage and intensity matter

本研究通过微流控技术制备光固化聚乙二醇二丙烯酸（PEGDA）微凝胶，结合液滴生成、UV交联和力学评估，发现材料机械性能受紫外强度和剂量显著影响。不完全交联形成内部凝胶和外部水壳结构，解释了流动态力学测量中的低恢复应力现象。

　　在本研究中，科学家们探索了如何利用微流体技术制备具有均匀特性的可固化水凝胶微球，并在同一个设备中结合了微球的生成、固化以及机械性能评估。水凝胶因其可调节的机械性能和生物相容性，在药物输送、细胞疗法和3D生物打印等领域展现出广泛的应用前景。通过微流体技术，可以快速生成填充有聚合物的液滴，而紫外光（UV）固化聚合物则为制备单分散的微凝胶提供了明确的路径。研究发现，液滴在流动过程中，聚合物浓度和UV暴露水平共同决定了其交联程度。通常，高UV强度用于确保凝胶的完全固化，避免部分固化带来的问题。然而，要优化配方以获得理想的机械性能，往往需要从流动中移除材料并进行外部测量。

研究者们创新性地将液滴生成、微凝胶制造和机械性能评估整合在同一个微流体设备中，从而能够直接在流动过程中测量微凝胶的力学行为。他们使用紫外光固化填充有聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）的水滴，并在矿物油中进行固化。通过调整UV剂量，可以研究凝胶化程度对微凝胶性能的影响。在设备中，他们利用流动中液滴的形状变形来测量液滴和微球的恢复应力。研究结果表明，PEGDA液滴是从内部开始凝胶化的，如果凝胶化不完全，液滴内部会残留一个粒子。外部测量结果与这一观察一致，进一步验证了该结论。

在固化过程中，PEGDA填充的液滴中会形成一层水壳，这在设备中通过加入染料得到了可视化。同时，微球在PEGDA填充的液滴中经历凝胶化时，表现出在液滴中心区域的扩散停滞，而外围区域仍保持流动性。这些发现表明，在使用微流体技术制备微凝胶时，需要考虑凝胶化程度对材料性能的影响。

研究团队还通过多种方法测量了PEGDA的凝胶化动力学，包括流动中的形状变形、纳米粒子扩散以及设备内外的视觉确认。通过这些方法的结合，他们获得了对流动中微凝胶凝胶化过程的全面理解。此外，研究者们还对微凝胶的机械性能进行了分析，发现凝胶化程度与机械性能之间存在显著的正相关关系。

在微流体实验中，PEGDA液滴在不同UV剂量和强度下进行固化。研究发现，当UV剂量和强度增加时，液滴的恢复应力也随之增加。然而，对于低浓度PEGDA的液滴，即使UV剂量很高，其恢复应力仍然较低，这表明低浓度PEGDA液滴可能并未完全固化。此外，研究还发现，UV强度可能是控制PEGDA交联的关键因素，而非仅仅依赖于总剂量。这一发现与自由基聚合反应的动力建立了联系，即在涉及光引发剂的反应中，UV强度决定了自由基生成的速率。

在对PEGDA的凝胶化动力学进行研究时，研究者们发现，在流动中液滴的凝胶化时间随着UV强度的增加而减少。这表明，在微流体环境中，UV强度对于控制液滴的固化至关重要。同时，研究还发现，液滴在流动中会经历形态的变化，这种变化与UV剂量和强度密切相关。通过微流体设备的长停留时间通道，液滴能够获得足够的UV暴露，从而实现固化。

研究者们进一步通过毛细管微力学方法测量了微凝胶的机械性能，发现不同固化程度的微凝胶表现出不同的形态特征。例如，对于部分固化的液滴，其内部可能形成一个较硬的凝胶核，而外部仍保留着液态层。这种现象可以通过流动中对液滴施加压力并观察其形变来确认。此外，研究还发现，当UV剂量增加时，液滴的外部液态层会逐渐变薄，最终形成一个完全固化的微凝胶。

通过对比微流体环境下的凝胶化行为与批量凝胶的凝胶化行为，研究者们发现，微流体环境下的凝胶化过程受到多种因素的影响，包括UV强度、停留时间以及聚合物浓度。此外，研究还发现，微流体环境中的流动条件可能会对凝胶化过程产生影响，导致微凝胶在流动中表现出不同的形态和机械性能。

研究结果表明，在微流体技术中，液滴的凝胶化过程可能并不完全，而是一个渐进的过程。这意味着，在微流体环境中，液滴可能不会完全固化为微凝胶，而是形成一个部分固化的结构。这一发现对于理解微凝胶的形成机制具有重要意义，也为优化微流体设备的设计提供了新的思路。此外，研究还发现，微凝胶的机械性能与其凝胶化程度密切相关，这为微凝胶的制备和应用提供了理论依据。

总的来说，本研究通过微流体技术制备了PEGDA微凝胶，并在流动过程中测量了其机械性能。研究结果表明，PEGDA液滴的凝胶化过程是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。通过调整UV剂量和强度，可以控制微凝胶的固化程度和机械性能。此外，研究还发现，微凝胶在流动中表现出不同的形态和机械性能，这可能与流动条件和凝胶化程度有关。这些发现为微流体技术在微凝胶制备中的应用提供了新的视角，并为相关领域的研究提供了参考。