综述：从流动到形态：基于微流控方法的水凝胶结构化与图案化（开放获取）

《Lab on a Chip》：From flow to form: structuring and patterning hydrogels using microfluidic approachesOpen Access

　　

三维（3D）细胞培养可利用材料的精确排布（即图案化）构建具有生理相关性的类组织结构。水凝胶因能模拟生物细胞外基质（ECM）网络的特性，被广泛应用于3D细胞培养。本综述探讨研究人员如何利用微流控系统控制微通道内的流体运动与定位，通过毛细管流实现水凝胶前体的3D图案化。这类系统具备独特优势，能够以高空间分辨率、低水凝胶耗材量构建复杂的仿生结构、器官芯片（organ-on-a-chip）及微生理系统（microphysiological systems）。研究人员首先阐述毛细管钉扎（capillary pinning）与抽吸介导图案化（aspiration-mediated patterning）的基本原理，随后综述三类微流控系统——封闭式、半开放式与开放式——的开发与应用，分析不同图案化技术在各类系统中的具体实现方式。此外，研究人员还讨论了模块化微流控系统，即通过整合多类微流控系统实现生物系统的复杂仿生建模。各章节均对现有及新兴技术进行整合与批判性分析，以建立不同文献间的关联。最后，研究人员展望微流控系统在水凝胶图案化领域的优势及未来发展方向。综上，基于微流控流的图案化技术是微生理系统及其他3D细胞培养模型的重要工具，有望推动研究人员对基础生物学机制的认知，并为生理相关组织模型中的多现象研究提供新机遇。

1. 1.
   引言
   图案化技术可实现材料在用户指定几何形状下的精确排布。3D细胞培养可借助图案化技术精确排布细胞、水凝胶或分子梯度，构建生理相关的类组织结构。天然与合成水凝胶因能模拟天然细胞外基质（ECM）网络的 structural、mechanical 及 biochemical 特性，成为3D细胞培养的常用材料。传统3D细胞培养通常将细胞包埋于水凝胶支架中，以增强体外细胞-细胞及细胞-ECM相互作用，但这类培养体系多局限于单一水凝胶类型，细胞（单种或多种）在水凝胶内均匀分布。在传统细胞负载水凝胶体系中引入图案化技术，可实现多种细胞类型、ECM类型及ECM组成在单一3D组织构建体中的空间排布，从而构建用户定义的组织水平结构或不同组织类型间的界面区域。通过精准控制细胞与ECM的空间定位，图案化水凝胶可作为支架或屏障实现细胞区室化，使不同细胞类型在其最优水凝胶或ECM环境中相邻培养，同时促进小分子在培养体系内的生理相关转运——既可通过细胞相互作用建立化学梯度，也可通过在水凝胶中整合不同浓度的分子实现。此外，图案化水凝胶可构建多区域细胞-细胞及细胞-ECM通讯网络，助力复杂细胞信号网络的发育。这种3D图案化介导的组织复杂性，为细胞信号行为、组织再生及药物/小分子相互作用的生理相关研究提供了更可靠的模型。
   常见的细胞包埋水凝胶图案化技术包括光刻、软光刻（如微模塑）、3D生物打印及微流控。光刻通过光激活细胞负载水凝胶中的光交联基团，利用光掩模或激光照射定义曝光区域，从而控制最终组织结构的几何形状与组成。软光刻利用模具或印章定义细胞/蛋白在水凝胶中的形状与图案。挤出式3D生物打印则通过逐层控制生物墨水的沉积，构建包含不同细胞与ECM区域的三维结构。
   微流控系统通过调控流体流动，实现微通道内水凝胶的精准空间定位。通常通过改变通道尺寸及表面性质促进或阻止流体推进，从而精确控制水凝胶形成图案化组织构建体。本综述聚焦微流控系统在3D组织构建体中的水凝胶图案化应用。
   与其他水凝胶图案化技术相比，微流控基水凝胶图案化系统操作简便，兼具高空间分辨率与复杂仿生结构构建能力。其实施仅需图案化装置与泵或移液器，适配不同资源水平的实验室。微流控平台还具备更高的通量，且通过精准流体操控提升用户可控性。此外，微流控使用微升至亚微升级的微小体积，显著降低珍贵水凝胶材料（如定制合成水凝胶或离体脱细胞ECM）的消耗。同时，微流控系统可便捷整合外部传感与驱动组件，实现图案化构建体的实时监测与动态操控。这种精准的流体与图案化能力，为构建高度模拟生理条件的仿生构建体提供了新可能，推动个性化医疗、药物筛选及器官芯片领域的研究进展。研究人员可根据实验需求（如模拟特定组织界面或构建具有明确细胞/ECM组织的组织架构）选择适配的微流控通道构型。
   微流控基水凝胶图案化可复现从分子水平到组织水平的 hierarchical 组织结构。微流控系统通过微通道内的高通量制备与精准流体操控，支持规模化生理相关组织构建体的开发。例如，一种包含三个独立水凝胶区域的微流控装置，可在水凝胶区域外侧的通道内实现流体流动。每个水凝胶区域可包含不同细胞类型，支持目标组织中不同细胞类型的共培养，同时整合不同天然或合成ECM类型，增强细胞-ECM及细胞-细胞接触。这种多区域微流控设计可模拟具有明确界面的多种组织类型（实现组织水平复现）、目标组织内的多种细胞类型（实现细胞水平复现）或目标组织内的生物分子梯度（实现分子水平复现）。
   微通道图案化的核心流体现象包括毛细管钉扎与抽吸介导图案化。根据装置设计，毛细管钉扎可通过破坏表面张力实现水凝胶区室化，在单一通道内生成独立区域。抽吸介导图案化则通过移除过量水凝胶前体溶液，暴露目标区室内的图案化结构，实现多区域的快速同步图案化。
   本综述第3至6节详述各类微流控图案化系统的开发进展，每类系统均具备独特的图案化控制方法与应用场景。根据通道整体架构与封闭程度，微流控系统可分为三类：封闭式、半开放式与开放式。需说明的是，本综述的分类依据微流控装置本身的物理结构，而非图案化过程中可能出现的局部流体与空气界面。
   封闭式微流控系统为全封闭结构，通道四周均有壁面，入口与出口密封，通常连接泵或其他流控装置。传统封闭式系统采用主动泵控，通过通道入口与出口的泵控制流体流动与图案化。近期研究引入了重力驱动、真空驱动、声驱动流及毛细管钉扎等无泵控方法，实现封闭系统内的流体图案化。
   半开放式微流控系统旨在降低封闭式系统的成本与复杂度，同时构建可与环境交互的区域。其通道结构封闭（即通道具有四个固体边界），但入口和/或出口暴露于空气中。开放入口与出口使半开放式系统无需外部泵，可通过基础移液操作运行，装置更简单、成本更低。这类系统常采用被动机制驱动流体流动，如重力、表面张力或压力梯度控制流体图案化。
   开放式微流控系统进一步简化操作、提升可及性，其通道沿轴向缺失一个或多个固体边界，从而在通道长度方向形成气-液界面（如基于轨道的系统仅具有顶壁与底壁，无侧壁）。这种开放架构提供对通道内部的持续直接 access，便于用户操控与材料精准 placement。开放通道系统还支持与外部组件整合，以及凝胶化后的操作（如将水凝胶转移至新培养环境或堆叠多个水凝胶）。开放通道的加载通常采用手动移液，流体流动由表面张力及流体与固体壁的相互作用驱动，无需外部泵，即毛细管驱动流。
   封闭式、半开放式与开放式微流控系统均为水凝胶前体溶液、细胞悬浮液及其他生物分子组分（如液体培养基、蛋白质、化学物质）的流动提供独特的图案化机制，拓展了水凝胶图案化的可能性。值得注意的是，这些方法可整合为模块化系统，结合多类微流控系统的优势，实现更复杂的生理代表性生物系统建模。模块化微流控涵盖从实验过程中简单移除通道壁到动态整合3D打印挤出方法等多种形式，可提升3D培养模型的复杂度，支持研究人员针对特定生物学问题定制实验。
   本综述首先介绍两类微流控水凝胶成型与图案化方法，重点讨论多区域图案化的不同技术；随后聚焦三类主要微流控通道（封闭式、半开放式、开放式）及其各自的图案化控制机制，强调近期进展与复现生理组织结构功能的新兴趋势（如模块化微流控系统的开发）。鉴于封闭式、开放式与半开放式系统中的流动条件与机制已有详细综述，本综述主要聚焦微流控系统中水凝胶前体溶液的图案化与流控方法。研究人员注意到，微流控系统还可通过液体流动操控或表面润湿性/形貌改变实现水凝胶以外的底物与溶液图案化，此类应用不在本综述讨论范围内。
   本综述通过按图案化技术与微流控系统构型对水凝胶图案化方法进行分类，旨在全面阐述微流控系统及相关图案化控制方法如何生成不同目标输出，并为微流控水凝胶图案化在生物医学应用中的未来发展方向提供见解。本综述的三个目标为：帮助微流控与水凝胶图案化领域的新手与资深研究人员（1）广泛理解文献中描述的各种技术，（2）辅助其根据生物医学研究目标选择最优策略，（3）分享研究人员对该领域未来发展的见解。
2. 2.
   微流控中的多区域图案化
   第1节介绍了三类用于水凝胶图案化的微流控系统。在详细讨论各类系统前，本节将介绍两类水凝胶图案化方法——毛细管钉扎与抽吸，并简述驱动其功能流体力学的原理。这两类图案化机制可应用于上述三类微流控系统。
   2.1 毛细管钉扎：基于毛细管力相互作用的图案化
   毛细管钉扎是微流控中的一种现象，气-液界面（弯液面）在微通道内的特定几何或化学边界处自发停止推进。钉扎有时是 undesired 的（如通道壁缺陷导致的表面粗糙度），但在生物与化学应用中，毛细管钉扎可作为“被动阀”精准控制流体体积（如触发阀）、限制或阻止毛细管流体流动（如构建液体壁限制流动），或在无需主动外部泵或机械阀的情况下创建不同相间的稳定界面。毛细管钉扎发生的条件是弯液面移动过某点所需的能量超过可用毛细管压力。钉扎通常通过尖锐边缘实现：一类是通道内突出的脊状结构（case 1），另一类是通道内凹陷的空腔结构（case 2），这两类通道不连续性统称为钉扎特征。
   当液体到达尖锐的外角时，弯液面必须“弯曲”或增加曲率以维持与新固体表面的接触角。这种曲率变化产生压力屏障，除非施加额外外部压力，否则流体无法克服。该压力差由 Young-Laplace 方程描述，即界面两侧的压力差（P）与表面张力（γ）及曲率（κ）相关，曲率由两个相互垂直的平面与界面相交的曲率半径 R₁ 与 R₂ 定义。流体前端的气-液界面与固体通道壁接触时受到约束，该约束由 Young 方程描述：γ_LG cos θ = γ_SG ? γ_SL，其中 θ 为液体在钉扎特征处的接触角，γ_LG、γ_SG、γ_SL 分别为液-气、固-气、固-液界面的表面张力。
   当毛细管流到达尖锐拐角（即局部通道几何形状改变）时，自由表面根据 Young-Laplace 方程相应弯曲。钉扎在脊上的界面角度变为表观值 θ_a。只要表观接触角满足 Gibbs 关系：θ ≤ θ_a ≤ θ + (π ? α)，界面就会保持钉扎或锚定。随着更多液体注入，施加的压力最终将表观接触角推至上述上限之外，弯液面越过钉扎特征，发生钉扎失效（去钉扎）。使界面去钉扎所需的压力称为爆破压力（P_burst），其表达式为 P_burst = γ(1/R₁ + 1/R₂)，其中 γ 为液体表面张力，R 为气-液界面的曲率半径，w 为通道宽度，θ 为液体在钉扎特征处的接触角，α? 为通道轴线与钉扎特征下游坡面之间的夹角。需注意，若界面曲率半径减小至 w/2（对应半圆形空腔界面），弯液面将去钉扎。此外，爆破压力随 α? 减小至 θ 而增大，即当钉扎特征的坡面与通道轴线夹角小于 90° 时，钉扎最为稳定。
   为满足器官芯片系统的复杂结构需求，研究人员开发了多种液体钉扎的工程策略，以实现高保真水凝胶图案化。微柱阵列是最常用的方法，利用一系列垂直微柱作为毛细管屏障，通过微柱间的毛细管钉扎限制凝胶。这种方法在实现区室化的同时，仍允许细胞迁移、分子转运、化学梯度形成及细胞屏障构建。为构建更无缝的界面，相引导系统利用通道顶壁和/或底壁上的结构特征（如引导凸起）连续引导液体弯液面沿预定路径移动，无需微柱即可实现液体图案化。本综述后续将微柱阵列称为微柱，连续屏障称为相导。
   2.2 抽吸：基于过量材料移除的图案化
   抽吸定义为施加负压操控流体。流体前端初始时被钉扎，抵抗拉力；仅当局部接触角降低至临界后退接触角（θ_R,c）以下时，弯液面才开始后退。微通道首先被流体过填充，随后通过抽吸排液，弯液面不均匀后退：流体优先通过微柱间较大间隙后退，暴露出空微通道区域，而流体仍钉扎并保留在间距更紧密的区域，最终形成离散的液填充方形阵列图案。因此，图案化依赖于界面特征，这些特征的临界后退条件高于施加于整个通道的负压。微吸管 suction 模型描述，当抽吸诱导的压降超过临界 Laplace 压力（对应临界后退条件）时，弯液面后退。
   由于压力差 ΔP 与曲率半径成反比，具有较大曲率半径（即几何上更“平坦”的界面）的界面表现出更低的 Laplace 压力，因此在较低的施加 suction 压力下达到后退条件。具体而言，对于两个微柱间距为 L、微柱半径为 r 的间隙，弯液面的面内曲率半径 R_m 最小值为 R_m = (L ? 2r)/2，对应的临界 Laplace 压力可简化为 ΔP_crit = 2γ/R_m。由于面外曲率 1/R₂ 对所有间隙相同，仅面内半径 R_m 决定阈值顺序：最宽间隙（最大 R_m）在最低 ΔP_crit 下达到后退条件。这种“毛细管阈值排序”是选择性移除目标区域水凝胶而保留其他区域钉扎的核心方法。
   抽吸介导图案化在不同微流控系统中的实现方式取决于负压梯度与水凝胶前体的接触位置：封闭式与半开放式系统中，接触限于入口或出口；开放式系统中，任何开放面均可被 access。
3. 3.
   封闭式系统
   微流控领域 historically 以封闭式系统为核心，其通道完全封闭，流体通过密封连接至通道入口与出口的管路 access。封闭式系统中的水凝胶图案化依赖外部施加的压力梯度驱动水凝胶前体溶液通过通道。空间控制源于受限几何结构内的调控流动，实现水凝胶的精准图案化。通过调节通道设计、流速、注射压力、凝胶前体相对浓度及 timing，这类系统可实现多水凝胶区域的 reproducible 空间组织。因此，压力驱动平台被广泛用于构建确定的化学与机械梯度，以及复现生理相关组织架构的器官芯片模型。
   3.1 入口驱动（基于泵）的水凝胶图案化
   许多入口驱动策略依赖多种前体流的层流共流，其在界面处凝胶化或通过外部固化机制固化。早期研究展示了藻酸盐与氯化钙平行流的离子交联，通过流动 timing 定义分层水凝胶的空间控制。这些概念随后扩展至光聚合系统，其中不同的前体流并排流动，紫外固化以固定层流定义的界面。类似方法利用受控入口流量比与微流控混合制备梯度胶原水凝胶，应用于肿瘤建模及用于神经芯片支架的同轴核壳水凝胶微纤维。这些研究共同凸显了入口驱动层流图案化的核心优势：流动定义空间组织，凝胶化后固定为三维结构。
   尽管层流共流方法用途广泛，但其对共流流体的体积流量比高度敏感，微小变化即可导致层流界面偏移、梯度扭曲或凝胶化不完全。这些局限性推动了替代限域策略的开发，即通过微柱与相导等刚性微结构介导空间定位，阻止毛细管流动。钉扎压力的大小取决于流体表面张力与界面处的曲率半径，更高的表面张力与更尖锐的特征几何形状可提升抗流动能力。通过钉扎第一种水凝胶前体流，可引入第二种前体溶液实现多区域图案化。由于可通过受控入口流动或真空抽吸精准调节压力，封闭式系统可实现一致且 reproducible 的图案化。
   除毛细管相导外，动态或化学定义的边界也被用于引导水凝胶 placement。研究人员采用界面凝胶化形成的临时壳聚糖膜实现无永久屏障的区室化，或引入可恢复弹性屏障，其在注射时变形并在注射后 reseal 防止泄漏。其他研究通过图案化表面亲水性实现水凝胶前体限域，无需物理屏障即可生成无包围或分隔的界面区域。这些策略在保持压力驱动流动精度的同时，最小化了刚性结构约束。
   入口驱动系统在凝胶形成过程中或凝胶化后可调节凝胶组成与微环境。在形成过程中，两种或多种水凝胶前体溶液的相对流速决定局部混合比，该比例在凝胶化或光聚合后固定。这种方法被用于生成细胞、基质组分及基质刚度的梯度。凝胶化后，可通过从相邻灌注通道向凝胶内扩散建立可溶性因子梯度，实现空间分辨给药，无需改变基质组成。尽管精度高，入口驱动系统需要连续泵控硬件，存在死体积、装置搭建复杂、流动不稳定等挑战，限制了 reproducibility 与通量。这些局限性推动了基于受控 suction 而非正压注射的替代压力驱动方法的发展。
   3.2 出口驱动（真空/抽吸基）的水凝胶图案化
   封闭式通道中的抽吸介导图案化（也称为真空驱动图案化）通过在出口施加负压，产生受控压力差使气-液弯液面变形。压力差由 Young-Laplace 关系描述，驱动水凝胶前体溶液通过微流控通道。这种方法可实现选择性水凝胶保留，同时保持相邻通道开放以供灌注。维持凝胶在毛细管屏障间的限域对图案化后保持无阻碍灌注至关重要。通过最小化弯液面拉伸与最大化表面润湿可提升限域效果，例如采用括号形与斜线形相导，使其与微柱壁形成锐角。仅使用微柱也可实现限域。
   封闭式系统中的真空驱动图案化被用于创建不连续的区室化水凝胶构建体（称为组织阵列或微阵列），其由微流控通道分隔。微阵列常作为高通量共培养平台，可通过灌注持续递送培养基、药物或目标生物分子，同时将细胞类型限域于小型隔离区室，并控制其相对位置以构建确定尺寸与几何形状的水凝胶-液体界面。研究人员利用真空基图案化实现多种免疫细胞的空间控制（传统细胞培养系统难以实现），区室间的微流控通道既允许区域间细胞内通讯，也可向两个区域施加可溶性因子梯度。其他研究通过构建区室化肠道共培养体系，改变水凝胶-培养基界面几何形状与压力驱动参数，揭示这些参数共同对生物学结果的影响。
   抽吸基水凝胶图案化在构建利于连续灌注的区室化阵列方面表现优异，而入口驱动系统更适用于连续梯度与共流设计。尽管抽吸介导图案化在器官芯片平台中用途广泛，但其对外部泵与封闭式架构的依赖，持续推动了对更简单、全被动替代方案的研究，这类方案需在保持空间精度的同时简化装置操作。需注意，封闭式系统中的负压通过完全封闭通道内的密封端口施加，用于推进或完成填充；而开放式系统中的抽吸介导图案化则通过 extended 暴露的弯液面直接对水凝胶前体相施加 suction，二者操作背景不同。
4. 4.
   半开放式系统
   本综述中，半开放式系统定义为具有入口和/或出口弯液面的封闭通道。开放的入口与出口使半开放式系统可通过标准移液操作 access，无需封闭式微流控系统通常所需的管路与泵系统。尽管半开放式系统可连接管路与泵系统辅助流动，但流体移动更常通过主动移液或被动的表面张力/黏性指进来驱动。本节讨论基于表面张力、黏性指进及部分泵控的图案化策略。
   4.1 表面张力驱动图案化
   在表面张力驱动流的装置中，水凝胶前体被移液至入口，通过自发毛细管流芯吸填充通道。一个基础示例是可组装微流控悬浮组织工程（STEAM）实现的组织几何形状，其中水凝胶前体沿通道长度流动，并根据通道参数在定制配置下凝胶化。与封闭式系统类似，半开放式系统也常采用微柱分隔相邻通道，同时通过微柱间隙促进凝胶界面的物理化学相互作用。研究人员证明，半开放式微流控装置中的微柱阵列可用于构建多个相邻的水凝胶通道，无泄漏且允许细胞从一通道迁移至下一通道。这类带微柱的多通道装置已被应用于多种生物学研究：免疫学中用于研究迁移性树突状细胞与 T 细胞行为、模拟淋巴结 T 细胞-B 细胞边界；肿瘤学中用于模拟癌细胞侵袭或肿瘤细胞外渗、开展肝细胞癌治疗药物的筛选。多通道水凝胶系统还被用于构建功能性微血管网络，研究剪切应力对 ECM 内组分排列的影响。微柱的另一独特应用是作为微锚而非毛细管屏障，例如用于固定组织，使其暴露于平行气流中以模拟气道。
   4.2 黏性指进图案化
   黏性指进是两种流体界面不稳定性的结果，当低黏度流体驱替高黏度流体时发生。在半开放式微流控系统中，研究人员利用这一现象构建复杂图案。例如，通过向填充高黏度水凝胶前体的通道中注入低黏度缓冲液，低黏度流体以指状形态穿透高黏度前体，形成可控的图案化空隙。这种方法被用于构建内皮细胞衬里的管腔结构：首先注入细胞负载的高黏度水凝胶前体，随后注入低黏度培养基，黏性指进形成管状空隙，内皮细胞在空隙表面铺展形成管腔。这种策略无需复杂的通道几何结构即可构建三维血管网络，且管腔尺寸可通过流体黏度比、注入速率等参数调控。
   4.3 阶梯式图案化
   阶梯式图案化利用通道高度的变化实现水凝胶的空间定位。半开放式系统中，通道可设计为具有不同高度的阶梯状区域，水凝胶前体优先填充较低区域，而较高区域保持开放。这种方法被用于构建相邻的无细胞水凝胶与细胞负载水凝胶区域，用于细胞迁移 assay。研究人员通过设计具有高度差的通道，使细胞负载水凝胶填充于低阶区域，高阶区域填充无细胞培养基，形成明确的细胞迁移前沿，便于实时监测细胞迁移行为。阶梯式图案化操作简便，仅需单次移液步骤，且区域界面清晰，适用于需要明确细胞-基质界面的研究。
   4.4 部分泵驱动图案化
   尽管半开放式系统常采用被动流动机制，部分泵驱动策略也被用于提升图案化精度。例如，研究人员通过连接至入口的微量泵施加可控负压，辅助水凝胶前体填充特定区域。这种方法结合了被动毛细管填充的简单性与主动泵控的精准性，可实现复杂几何形状的水凝胶图案化。在一个示例中，研究人员通过微量泵施加真空，将水凝胶前体吸入具有微柱阵列的通道区域，微柱作为毛细管屏障限制前体流动，形成离散的水凝胶微阵列。部分泵驱动图案化尤其适用于需要精准控制填充体积或填充速率的应用，同时避免了全封闭式系统的复杂管路搭建。
   4.5 表面润湿性图案化
   表面润湿性图案化通过通道表面的化学修饰实现水凝胶的定位。研究人员通过等离子体处理结合掩模技术，在通道表面定义亲水性与疏水性区域。水凝胶前体优先润湿并保留在亲水性区域，而疏水性区域排斥前体，从而实现无物理屏障的图案化。例如，研究人员利用掩模等离子体处理构建了吉他形与波浪形通道，细胞负载水凝胶被限域于亲水性通道区域内，而疏水性边界防止前体溢出。这种方法构建的图案界面平滑，无微柱或相导造成的界面扰动，适用于对界面完整性要求较高的研究，如细胞-细胞接触的精确调控或分子梯度的稳定维持。
5. 5.
   开放式系统
   开放式微流控系统进一步提升了可及性与操作简便性，其通道沿轴向缺失一个或多个固体边界，形成气-液界面。这种开放架构允许对通道内部的直接 access，支持手动移液加载、原位观测及凝胶化后的操作（如转移、堆叠）。开放式系统的流体流动主要由毛细管力驱动，无需外部泵，操作成本极低。
   5.1 轨道基开放式系统
   轨道基开放式系统是典型代表，其通道仅具有顶壁与底壁，无侧壁，形成开放的“轨道”结构。研究人员将水凝胶前体手动移液至轨道内，毛细管力驱动前体沿轨道流动并填充。轨道的边界通过表面润湿性控制：轨道表面为亲水性，而轨道外区域为疏水性，防止前体溢出。这种方法被用于构建长条状水凝胶结构，适用于模拟血管、肠道等管状组织。研究人员还通过在轨道内设计微柱阵列，实现多区域图案化，微柱作为毛细管钉扎特征限制前体流动，形成离散的水凝胶区域。轨道基系统的开放特性允许在凝胶化后轻松将水凝胶从轨道中取出，转移至其他培养环境或进行后续分析。
   5.2 开放式系统的抽吸介导图案化
   开放式系统中的抽吸介导图案化通过直接对暴露的弯液面施加负压实现。研究人员使用移液器或真空泵在开放通道的末端施加 suction，移除过量水凝胶前体，保留钉扎在微柱间或相导下的前体，形成图案化结构。与封闭式系统不同，开放式系统的抽吸操作无需密封端口，可直接通过移液器 tip 接触弯液面进行。这种方法操作灵活，可实现单步多区域图案化，且图案化结构可直接在开放通道内进行细胞培养与实时成像。研究人员利用该方法构建了多细胞类型的共培养模型，不同细胞类型的水凝胶前体被图案化于同一开放通道内的相邻区域，细胞间可通过微柱间隙进行相互作用。
   5.3 开放式系统的模块化整合
   开放式系统因其开放特性，易于与其他技术整合。研究人员将开放式微流控与 3D 生物打印结合，首先在开放通道内通过微流控图案化构建基础水凝胶结构，随后利用生物打印在图案化结构上添加复杂特征（如微血管网络、细胞簇）。这种模块化整合结合了微流控的高通量与生物打印的高分辨率优势。此外，开放式系统还可与微电极阵列整合，实现图案化水凝胶内细胞电活动的实时监测。研究人员将微电极阵列集成于开放通道的底壁，水凝胶图案化后，细胞在电极表面生长，通过微电极记录细胞电信号。这种整合为神经组织工程与神经芯片研究提供了强大工具。
6. 6.
   模块化微流控系统
   模块化微流控系统通过整合封闭式、半开放式与开放式系统的优势，构建更复杂的仿生模型。这类系统可根据实验需求灵活组合不同模块，提升模型生理相关性。
   6.1 通道壁移除模块化
   一种简单的模块化策略是在实验过程中动态移除通道壁。例如，研究人员首先在封闭式系统中通过微流控图案化构建多区域水凝胶结构，待凝胶化后移除通道顶壁，将封闭式系统转换为开放式系统。这种转换允许对图案化水凝胶进行后续操作，如添加第二层水凝胶、植入细胞或进行原位刺激。研究人员利用该方法构建了多层组织模型：首先在封闭式系统中图案化底层水凝胶，移除顶壁后，在暴露的底层水凝胶上通过开放式系统图案化上层水凝胶，形成具有明确界面的双层组织结构，模拟皮肤、肠上皮等分层组织。
   6.2 多系统整合模块化
   更复杂的模块化系统整合多类微流控系统的功能。例如，研究人员构建了包含封闭式灌注模块与开放式培养模块的装置：封闭式模块用于持续灌注培养基与药物，模拟体内血液循环；开放式模块用于水凝胶图案化与细胞培养，便于实时观测与操作。两个模块通过微通道连接，允许物质交换。这种整合系统被用于构建肝脏芯片模型：封闭式模块灌注含药物的培养基，开放式模块内图案化肝细胞负载水凝胶，模拟肝脏的代谢功能与药物响应。此外，研究人员还将微流控系统与微机械装置整合，构建可动态调控水凝胶机械性能的模块化系统，用于研究机械力对细胞行为的影响。
   6.3 标准化接口模块化
   为促进模块化系统的广泛应用，研究人员致力于开发标准化接口，使不同实验室构建的模块可互换与整合。标准化接口包括统一的通道尺寸、连接方式及流体控制协议。例如，研究人员开发了基于乐高积木原理的微流控模块，每个模块具有标准化的连接接口，可像积木一样组装成复杂系统。这种标准化模块化系统降低了微流控技术的应用门槛，使非专业用户也能快速搭建适配其研究需求的微流控平台。
7. 7.
   结论与展望
   微流控基水凝胶图案化技术通过精准控制流体流动，实现了水凝胶在三维空间内的复杂图案化，为构建生理相关组织模型提供了强大工具。三类微流控系统各具优势：封闭式系统适合需要精确流控与连续灌注的应用；半开放式系统平衡了操作简便性与图案化精度；开放式系统则提供了最高的可及性与操作灵活性。毛细管钉扎与抽吸介导图案化作为核心机制，可适配于各类系统，实现多区域、高分辨率的图案化。
   未来，微流控水凝胶图案化技术将向更高通量、更高仿生性及更智能化的方向发展。模块化微流控系统的开发将进一步拓展其应用范围，支持复杂多器官芯片模型的构建。同时，与人工智能、机器学习技术的结合，将实现图案化参数的优化与自动化控制。此外，新型水凝胶材料（如智能响应性水凝胶）与微流控技术的整合，将构建动态可调的仿生微环境，更精准地模拟体内组织的生理与病理过程。这些进展将推动微流控水凝胶图案化技术在个性化医疗、药物筛选、组织工程及基础生物学研究中的广泛应用，为生命科学与医学研究带来新的突破。