基于液相黏度差异诱导的绳卷绕效应可控制备生物相容性微螺旋结构

研究人员针对生物相容性微螺旋结构可控制备难题，创新性地利用两阶段微流控系统，通过液相黏度差异诱导的绳卷绕效应（liquid rope coiling effect），以PEGDA（聚乙二醇二丙烯酸酯）和NaAlg（海藻酸钠）为核心材料，实现了170-500 μm螺距、36-87 μm直径的微螺旋精准调控。该策略避免了传统交联法导致的通道堵塞问题，所制备的磁性微螺旋（含Fe3O4纳米颗粒）在磁场驱动下运动速度达6 mm/s，为生物医学工程提供了新型功能化微马达构建方案。

　　

在生物医学工程领域，模仿微生物运动机制的微螺旋结构因其独特的螺旋运动特性，在靶向给药、微创手术等领域展现出巨大潜力。然而，现有制备技术面临两大瓶颈：一是传统交联法（如Ca²⁺交联海藻酸钠）易导致微流控通道堵塞，难以实现连续生产；二是生物相容性与机械强度难以兼得——水凝胶材料机械性能差，而高强度聚合物往往生物相容性不足。更关键的是，微螺旋的螺距、直径等结构参数直接影响其运动性能，但现有技术缺乏精准调控手段。

针对这些挑战，四川大学的研究团队在《Green Chemical Engineering》发表创新成果。他们巧妙利用液相黏度差异诱导的流体力学现象——绳卷绕效应，开发出无交联的两阶段微流控制备策略。该技术通过调节设备尺寸和流体参数，像"微流控3D打印机"般精准控制微螺旋的几何特征，同时兼顾生物相容性和机械强度，为功能性微马达设计提供了新范式。

研究团队采用三项关键技术：1）构建双套管微流控装置，通过内层PEGDA（光固化材料）、中层高黏度NaAlg、外层去离子水的黏度梯度（419 mPa·s vs 1 mPa·s）自发形成螺旋流；2）UV光定点固化技术，通过控制照射时间（t_i）调节微螺旋长度（1.8-5.6 mm）；3）磁性功能化技术，将Fe₃O₄纳米颗粒（20 nm）分散于PEGDA中制备磁驱微螺旋。

【微螺旋流的可控生成】

通过调节NaAlg浓度（147-557 mPa·s）和流速比（Q_o/Q_i），团队发现螺距（P）与接收管直径（D_o）呈线性关系（P=1.036D_o-0.181）。相比传统交联法，该策略的螺距调控线性度更优（R²=0.99 vs 0.70），且无通道堵塞风险。

【结构精准调控机制】

建立四个定量关系式：螺距与流速比（式1）、直径与流速比（式2）、长度与UV时间（式3）、振幅与管径（式4）。例如直径D可通过式D=[0.94(Q_i+Q_m)/Q_o-0.2]D_o精确调控，实现36-87 μm范围±3 μm误差。

【卓越机械性能】

PEGDA微螺旋的拉伸强度达5.0 MPa（直径135 μm时），压缩回复率超72%，恢复速度比CaAlg微螺旋快8倍。磁性微螺旋（3 wt% Fe₃O₄）的储能模量提升40%，印证纳米颗粒的增强效应。

【磁驱运动性能】

在旋转磁场（400 Hz）驱动下，微螺旋实现5.33 mm/s的推进速度（相当于每秒移动80倍体长）。即使在模拟血液黏度（5 mPa·s）环境中，仍保持3.2 mm/s运动速度，并能负载34倍自重的PEGDA微球（17.1 mg）。

这项研究突破了生物相容性微螺旋可控制备的技术瓶颈，其创新性体现在三方面：1）物理策略替代化学交联，通过黏度差实现稳定螺旋流；2）建立结构参数的定量调控方程；3）力学性能与生物功能协同设计。该技术可扩展至其他功能单体体系，为微创手术机器人、靶向给药系统等应用提供了模块化构建平台。正如研究者指出，这种"流体力学引导的微制造"策略，或将开启仿生微马达设计的新纪元。