利用流体动力学力实现聚合物中空微纤维内表面微颗粒自主播种的机理与应用研究

这篇研究创新性地利用粘弹性流体（PEG-海藻酸钠）共流中的微颗粒侧向位移现象，开发了一种微流控策略，通过调控第一（N1）和第二（N2）法向应力差及剪切稀化指数（m=0.75），在4% w/v海藻酸钠浓度和250 μL min?1核心流速下实现微颗粒播种密度提升192%，为生物制造（biofabrication）和组织工程提供了高效的无标记技术方案。

　　

引言

微流控通道中悬浮颗粒的侧向位移技术因其非侵入特性，在细胞分选和药物递送领域具有重要价值。该研究通过聚乙二醇（PEG）-海藻酸钠两相流体系，探究了粘弹性流体中微颗粒在矩形微通道内的迁移规律。不同于牛顿流体，粘弹性流体的第一法向应力差（N1）和剪切稀化效应（shear thinning）共同决定了颗粒的平衡流线位置，这为仿生微血管结构的构建提供了理论基础。

背景

海藻酸钠溶液的粘弹性特性表现为韦森堡效应和巴鲁斯效应，其应力差异系数ψ1=N1/γ?²主导颗粒运动。在泊肃叶流中，弹性力（F_el）驱动颗粒向剪切率最低的通道中心迁移，而剪切稀化效应则推动颗粒向壁面移动。研究通过量化阻塞比（β）和松弛时间（λ），揭示了4% w/v海藻酸钠溶液（粘度625.7 cP）比2% w/v（89.44 cP）更利于维持颗粒在核心流区的稳定性。

结果与讨论

浓度效应：2% w/v海藻酸钠导致微颗粒扩散至纤维壁内部，而4% w/v溶液通过更高的粘度将颗粒限制在中空区域。流变测试显示4%溶液的剪切稀化指数（m=0.75）显著低于2%（m=0.91），表明其粘度在流动中更稳定。

流速优化：当核心流速从100 μL min^?1提升至250 μL min^?1时，微颗粒播种密度增加192%。高速流动增强了N1主导的弹性升力，促使颗粒向核心-包层界面富集。纤维尺寸分析显示，内径随核心流速从221.21 μm增至475.23 μm，但外径在250 μL min^?1时反常减小，提示存在流体动力学阈值。

实验方法

采用数控铣削（CNC）加工聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微流控芯片，通道深度150 μm，通过热溶剂辅助键合技术封装。以15% w/v PEG悬浮荧光微球（1 μm）作为核心流，10% w/v PEG和4%海藻酸钠分别作为鞘流和包层流，在氯化钙浴中固化形成中空纤维。

结论

该工作通过流体参数优化实现了微颗粒的高效定位播种，其机制可延伸至活细胞定向播种，为血管化组织构建和靶向递送系统开发提供了新范式。