《Advanced Science》：A Microfluidic Digital Shutter of Liquid–Liquid Interface for Fabrication of Multifaceted Hydrogel Microfiber Structure
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本文介绍了一种基于多相液-液界面动力学的可编程被动数字快门机制，用于在微流控平台上精确制备具有多种形态（如线性、螺旋、蝌蚪状及球形）的水凝胶微纤维。该技术通过调控界面“开-关”状态（ON-OFF）控制海藻酸钠与CaCl2溶液的接触与分离，实现了对微纤维长度、长径比、曲率和扭转的确定性控制。平台成功制备了高活性细胞负载微纤维和磁响应微纤维，为组织工程、活性材料和软体微机器人等领域提供了新策略。
摘要
各向异性水凝胶微颗粒在传感、药物递送、细胞治疗和软物质物理等领域具有广泛应用。然而，在生物相容性条件下高通量制备具有可编程几何形状的各向异性水凝胶微纤维仍是一个核心挑战。本研究引入了一种基于多相液-液界面动力学的可编程被动数字快门机制，用于在微流控平台上精确制造水凝胶微纤维。该装置包含三种流体，其中两个不混溶相用于创建数字快门，两个水相用于水凝胶形成。研究发现，水凝胶溶液在液-液界面处的液桥具有临界稳定长度，数字快门通过液桥维持与断裂之间的切换来实现。通过调制数字快门，实现了对几何形状的确定性控制，并产生了不同形状的微纤维。为突出其在组织工程、活性材料和软体微机器人方面的潜力，该平台用于生成高分辨率和高活性的细胞负载微纤维以及磁响应微纤维。
1 引言
各向异性微颗粒可以突破一般球形颗粒的限制，在传感、药物递送、细胞治疗、集体相变、胶体机器人和组织工程中找到广泛应用。在人体中，各向异性的纤维状重复单元构成了几种基本组织。因此，包裹细胞的纤维状水凝胶微颗粒可用作体外重建自然器官复杂结构的构建模块。此外，与球形颗粒不同，纤维状微颗粒的几何形状影响从可注射性到组装和细胞行为的一系列特性。
微流控技术为各向异性微颗粒的生成提供了一个强大的平台，与成型、乳液、光刻和机械破碎等技术相比，能够对形态、尺寸和单分散性进行精确且独立的控制。通常，当一种液体流入微流体装置中的另一种不混溶液体时，由表面张力和剪切应力驱动的流体不稳定性会导致液滴破裂。因此，在这些系统中形成的微凝胶通常仅限于球形几何形状。将微流控与光刻相结合能够制造形态复杂的微凝胶，但苛刻的加工条件和有限的生物相容性材料会损害细胞活力。因此，在生物相容性条件下以高通量方式生成具有可控几何形状的纤维状微颗粒仍然具有挑战性。
本文介绍了一种微流控系统中两种不混溶液体之间的动态界面作为数字快门，该快门在液桥维持和断裂期间以编程方式在两种状态之间切换，以生成多面水凝胶微纤维。该微流控系统是经典T型结和共流装置的组合，其中三流体系统构成两个用于数字快门的不混溶流体系统和一个用于通过高生物相容性离子凝胶化形成水凝胶的水性两相系统。我们探索了该平台控制水凝胶颗粒几何特性的能力，包括长度、长径比和曲率，从而形成四种几何形状：L形连续纤维、S形螺旋纤维、C形“蝌蚪状”微纤维和D形球形颗粒。
2 结果与讨论
2.1 用于多面纤维生产的具有动态液-液多相界面的微流控芯片
为了精确控制具有不同形态的水凝胶纤维的生产，我们开发了一种集成T型结和共流装置的微流控芯片，使用石蜡油、氯化钙溶液和海藻酸钠溶液的三相流体流。在T型结中，来自分支通道的石蜡油作为连续相，而来自主通道的CaCl2溶液形成分散相，产生受控的水包油液滴。同时，油相与通过毛细管针输送的海藻酸钠溶液共流。在水-油界面处的毛细不稳定性驱动下，海藻酸钠间歇性地进入CaCl2液滴，形成水性两相系统，其中与钙离子快速离子交联产生稳定的海藻酸水凝胶微纤维。这些微纤维被单独包裹在CaCl2液滴中并随后被收集。
水-油界面可以充当动态数字快门，使海藻酸钠交替接触和分离CaCl2溶液，分别定义为ON和OFF状态。在ON状态下，海藻酸钠被CaCl2交联导致形成细长纤维，而在OFF状态下，分离导致分散的液滴。对这些ON-OFF状态的精确时序和控制对于操纵纤维形态至关重要。在连续ON状态下，形成细长的L形水凝胶纤维。通过调整ON-OFF占空比，可以产生S形微纤维、蝌蚪形纤维和球形液滴。总体而言，可编程数字快门在我们微流控芯片中的集成促进了不同纤维形态的生成。
2.2 通过控制液-液界面形成被动数字快门
海藻酸钠从分支毛细管与主通道中的CaCl2溶液的成功聚结取决于在T型结处水-油界面的精确成形和控制。为了实现这一点，微流控芯片的制造几何形状针对可预测的两相流进行了定制：主通道和分支通道宽度为250 μm，高度为450 μm，结宽度为300 μm。在微流控两相T型结中，通常观察到两种不同的流型：挤压流型和滴流流型。在挤压流型中，产生的水滴阻塞连续的油相通道，并在T型结处创建周期性的动态水-油界面，为与毛细管针接触提供了空间。此外，穿过液滴的压力降可能促进海藻酸钠流的夹断。相比之下，在滴流流型中，水相仅部分占据通道，水-油界面位于T型结的下游。因此，挤压流型中的界面更适合作为被动数字快门，并在本研究中被采用。
动态水-油界面的轮廓被进一步表征以确定毛细管针的可用空间。界面横截面在挤压开始时类似于略微凸出的抛物线，在终点处类似于凹槽状凹抛物线。两个抛物线各由三个特征点定义，并在不同的水相流量和流量比下进行了定量测量。毛细管针的确定的插入范围被标记为绿色，并位于两条抛物线的黄色相交区域。
海藻酸钠的挤出形成与连续相的共流。随着流动推进，海藻酸钠接触CaCl2溶液，产生液桥。海藻酸钠桥被捕获在毛细管针尖和参考界面之间，彼此相隔一定距离。与CaCl2溶液聚结后，海藻酸钠液桥经历两种可能的情况：通过延展性、毛细管变细和夹断而破裂，或稳定维持而不破裂。在延展阶段，液桥轴向延伸并径向收缩。在海藻酸钠溶液和油之间的界面张力驱动下，系统然后进入毛细管变细阶段，发生进一步的径向收缩。最后，当液桥长度足够长时，进入夹断阶段，液桥断裂。液桥破裂后观察到两个或更多个微小的卫星滴，这反映了破裂的非线性特征。我们进一步揭示了油相流量、水相流量和海藻酸钠流量对液桥维持和破裂动力学的影响。增加油相流量促进破裂，而较高的水相流量和海藻酸钠流量对液桥有稳定作用。为了量化液桥维持和破裂的特征，我们测量了无量纲桥长，并绘制了其在不同流量下随归一化时间的演变。稳定和破裂的桥都显示随归一化时间增加，但遵循不同的两区域标度模式。在未破裂的情况下，区域I显示出较高的标度因子，在区域II中减慢增长；而对于破裂的桥，区域II表现出较高的标度因子，加速增长。值得注意的是，当极限长度或桥达到的最大长度超过约2时，液桥一致地破裂，为控制快门形成提供了明确的标准。
2.3 用于制造多面微纤维结构的可编程数字快门
对被动数字快门进行编程能够精确控制海藻酸钠凝胶过程，从而制造具有可调长度和形态的水凝胶微纤维。该系统以三种不同的模式运行——连续ON、周期性ON-OFF和连续OFF，提供对微纤维形成的特定控制。在连续ON模式下，不间断的凝胶化产生细长纤维。在连续OFF模式下，凝胶化停止，海藻酸钠液滴分散在油中并流向下游。周期性ON-OFF模式调节凝胶化循环，产生单分散水凝胶结构。因此，微纤维长度和生产频率可以通过调整ON状态持续时间和占空比来精确调节。如前一节所示，毛细数显著影响液-液界面动力学，而毛细管针插入长度直接与无量纲桥长相关。因此，微纤维的生产频率和占空比可以通过调整毛细数和插入长度来预测控制。生产频率显示与不同的插入长度近似线性依赖，这与先前关于挤压流型下T型结中液滴生产频率的报道一致。相比之下，占空比在所有插入长度下呈指数衰减。虚线代表幂律拟合。这种双参数协调能够精确控制快门激活时间，该时间在所有插入长度下随毛细数增加呈指数衰减，幂律指数范围从-1.75到-3.59。当毛细管针更深地插入主通道时，由于界面 retreat 到最大无量纲桥长的空间越来越受限，衰减率变得更加明显。当毛细数超过0.15时，毛细管针插入的影响变得可忽略不计，接近从挤压流型到滴流流型的转变。为了进一步研究针插入对数字快门形成的影响，使用水平集方法对多相流进行了模拟。在海藻酸钠液桥的毛细管变细和夹断阶段，毛细管针尖出口处升高的压力和剪切速率加速了其破裂。此外，压力和剪切速率的周期性变化引起重复的变细-破裂循环，导致液桥的周期性脱离。压力梯度动力学与没有针插入的T型结中观察到的相似，表明针插入对水-油界面行为的影响有限。
为了探索被动数字快门对微纤维形态的影响，我们通过固定水相流量，同时调制油相流量，调整毛细管针插入长度，并改变海藻酸钠浓度，对流量比进行了编程。获得了四种不同的形态：连续纤维（L形）、具有曲率和扭转的螺旋纤维（S形）、具有曲率和长径比的蝌蚪状微纤维（C形）和球形的液滴状颗粒（D形）。相图说明了微纤维形态作为油相流量、水相流量、插入长度和海藻酸钠浓度的函数。L形纤维主要在连续ON条件下形成，其中不间断的凝胶化产生稳定的纤维。在2%海藻酸钠浓度下，L形纤维的分布最宽，因为增加的粘度稳定了液桥。S形纤维很少见，仅在低油相流量和浅针插入下发生。表现出蝌蚪状曲率的C形微纤维是最普遍的形态。它们的分布窗口随着海藻酸钠浓度的增加而变窄，突出了粘度在影响液桥达到的最大长度从而控制纤维几何形状方面的作用。D形微球在连续OFF条件下形成，其中凝胶化发生在下游。此外，当激活时间极短，导致海藻酸钠与CaCl2液滴接触后立即破裂时，也会出现球形颗粒。
值得注意的是，即使油相流量、水相流量、插入长度和海藻酸钠浓度固定，仅改变海藻酸钠流量本身就可以诱导微纤维形态从D形到C形再到L形纤维的转变。增加海藻酸钠流量明显延长了微纤维的长度，并且一旦形成稳定的纤维，进一步增加海藻酸钠流量也会导致更大的纤维直径。这表明调制海藻酸钠流量提供了另一种可编程的方法来控制微纤维的长度和直径。总之，我们的结果表明，通过调制油相流量和毛细管针定位对数字快门进行可编程控制，精确地控制了凝胶化动力学，从而能够制造多样的微纤维结构。
2.4 C形微纤维的几何调制
与其他三种微纤维类型相比，C形水凝胶微纤维很少被报道，并且代表特别各向异性的微颗粒。它们表现出独特的蝌蚪状几何形状，类似于早期发育的脊椎动物胚胎，具有清晰定义的头部和细长的尾部，并显示长度和曲率的变化。因此，它们由编程的被动数字快门控制的形态特征被系统地研究。为了定量分析这些变化，评估了几个几何参数，包括总长度、头部直径、颈部直径、平均曲率、头部比率和头部长径比。这些参数随着毛细数的增加而变化，导致不同的纤维尺寸和形状。总长度范围从约150 μm到350 μm，并随着毛细数增加而减小，随着插入长度的增加观察到更急剧的下降。这种趋势与快门激活时间对毛细数和插入长度的指数衰减一致。值得注意的是，长度减少主要是由于尾部缩短，而头部保持相对稳定，导致头部比率在较高毛细数下增加。这突出表明液桥维持时间主要控制长度变化。重要的是，这种效应在较高海藻酸钠浓度下不太明显，可能是由于粘度诱导的稳定化。
与总纤维长度相反，头部和颈部直径表现出位置依赖的变化，而不是对毛细数或海藻酸钠浓度的均匀依赖。观察到显著的位置效应：与插入长度40μm和60μm相比，插入长度20μm时的头部直径始终最大，表明该位置有利于更广泛的液滴聚结和更大的弯月面形成。相反，颈部直径在插入长度40μm时达到最小值。此外，头部形态对海藻酸钠浓度更敏感，在2%海藻酸钠下形成的微纤维显示出比0.5%或1%下更高的头部长径比。
C形微纤维的平均曲率随着毛细数增加而增加，范围从约0.009到0.025 μm-1，表明在较高毛细数下弯曲增强，尤其是在较低海藻酸钠浓度下。由于曲率是C形微纤维的独特特征，我们通过数值模拟和微粒子图像测速技术探索了其形成机制。速度矢量场揭示了在纤维形成过程中海藻酸钠注射区域存在明显的涡流，这可能诱导弯曲。此外，在形成后的包含纤维的液滴内部持续存在一个涡流，并且当液滴通过微通道移动时，其混沌平流可能进一步增强曲率。为了验证这些观察结果，将微粒子图像测速测量结果与数值模拟进行了比较，显示一致性在20%以内，确认了测量的速度场的可靠性。在CaCl2液滴的颈部收缩期间，颈部的内部速度逐渐上升到最大值，促进CaCl2转移到液滴中并增加速度梯度，这有利于涡流形成。
2.5 细胞负载和磁响应C形微纤维的制造
为了证明该微流控系统的潜力，我们制造了细胞负载的C形微纤维和磁响应的微纤维。作为概念验证，首先生物制造了封装内皮细胞的超细C形水凝胶微纤维，它们可以作为血管化组织的模块化构建块。内皮细胞悬浮在海藻酸钠溶液中，通过微流控芯片挤出，其中液-液界面的数字快门实现纤维形成，随后进行洗涤和培养。为了评估细胞密度对纤维形态的影响，将细胞以不同的密度封装。在较低细胞密度下，纤维保持稳定的C形形态，活力在短期内略有下降，表明总体上良好的存活率。在较高细胞密度下，发生严重的结构破坏和毛细管堵塞，表明封装存在临界密度阈值。将细胞密度增加到更高水平会导致不规则的纤维形状、结构破坏和更低的活力，表明存在一个临界阈值，超过该阈值，挤出过程中的机械限制和细胞间压缩会损害纤维完整性和细胞存活。这种减少归因于挤出过程中升高的剪切应力，由高细胞密度下的机械限制和细胞间压缩引起。这些观察结果可归因于挤出诱导的机械应力。在恒定的海藻酸钠流量下，剪切和拉伸应力随着细胞密度增加而增加，提高了压力功和剪切应力，这反过来又提高了受损细胞比率。在低细胞密度下，应力保持适中，保留了纤维形态和活力，而在较高密度下，机械限制放大了应力，导致结构破坏和存活率降低。降低海藻酸钠浓度或降低海藻酸钠流量可以减少剪切诱导的损伤并提高细胞活力。作为另一个概念验证，嵌入了Fe3O4纳米颗粒以制造磁响应C形微纤维。在弱磁场下，微纤维重新朝向磁铁方向。增加场强诱导了朝向磁源的方向性运动。
3 结论与未来展望
本文提出了一种基于多相液-液界面动力学的可编程被动数字快门机制，能够在微流控平台上精确制造多面水凝胶微纤维。与通过结构设计或压力控制实现逻辑门或类晶体管行为的传统微流控平台相比，我们利用不混溶液体之间的毛细不稳定性来实现无需外部驱动的流体逻辑。通过调整界面动力学和流体参数，逻辑功能以微纤维几何形状和生产频率的离散变化形式出现，直接编码快门逻辑。这种方法能够对流体界面进行可编程控制，为微流体调节提供了一种无模板、可重构和低能量的策略，从而拓宽了流体逻辑系统的设计前景。除了其概念上的进步外，该系统的多功能性和生物相容性突出了其在各种应用中的潜力。通过这种方法制造的磁响应微纤维水凝胶在外场下表现出形状变形，使其成为软机器人系统和微创治疗的理想选择。此外，通过快门逻辑实现的可调形态和空间图案为工程化针对血管化、神经引导和局部药物递送的分层支架提供了新途径。
该系统的另一个重要方面在于多样水凝胶微纤维形态的机械起源。这些形态源于液桥稳定性和液滴内流体动力学之间的相互作用。当液桥保持稳定时，毛细力主导瑞利-普拉托不稳定性，使得能够连续伸长成线性纤维。当桥接近临界破裂点时，涡流再循环在CaCl2液滴内发展，产生不均匀的轴向应力，使软水凝胶韧带弯曲或扭曲，从而产生螺旋或弯曲的纤维。相比之下，快速破裂事件抑制轴向延伸，产生D形微球而不是纤维。这种形态转变反映了毛细驱动变细、粘性应力和液滴尺度涡流动力学的耦合效应，与粘性射流的非线性夹断物理和受限微流控滴流-射流转变中的流型转变一致。总之，这些现象为观察到的纤维几何形状提供了机械原理，并支持通过数字快门逻辑对微纤维结构进行可编程控制。
虽然液-液界面动态快门机制在生成具有各种各向异性形状的水凝胶微纤维方面显示出卓越的性能，但一些局限性仍然存在。一个是缺乏制造沿纤维具有不同组分的各向异性微纤维，这可以通过从共流装置注入多材料而不是仅海藻酸钠溶液来实现，并且可能具有广泛的应用潜力，例如生物混合机器人和微尺度液滴基离子电子学。此外，流变特性对海藻酸钠桥破裂的影响仍未充分探索，特别是在复杂水凝胶系统和细胞封装条件下。此外，实现微流控芯片的高通量生产和重复使用，包括保持表面疏水性以保持一致操作，对于可扩展制造来说仍然是一个实际挑战。最后，
