利用微流控光固化技术制备微型粒子研究现状及应用进展

近年来，微粒子因其独特形状、复杂结构以及在个体中实现多功能集成的能力引发了人们的广泛兴趣，其在生物分析诊断、组织工程、防伪、机械工程、结构材料等诸多领域具有广阔的应用前景。

微粒子的材料和形状决定了其功能和应用，例如，具有锋利切削刃的棱柱形金刚石微粒子可用于微零件加工，具有高介电常数的陶瓷微球可用于吸波超材料的功能单元，圆盘状硅微柱可用于太赫兹磁镜的介质单元，形状均一的UO₂微球可用作高温气冷堆燃料核心，多条带组分复合微颗粒可用于编码领域。因此，研究不同材料不同形状结构的微粒子制备和应用具有重要意义。

与传统微粒子制备方法如喷雾干燥、水/溶剂热合成、反溶剂沉淀、搅拌乳化、挤出成形、微立体光固化、激光聚合、微丝电火花加工、微注射成型相比，微流控光固化技术为微粒子的制备开辟了高精度、单分散性好、高通量等优势并存的新途径。

微流控合成根据成形机理可分为两类——基于微滴模板合成，微流控光固化。近年来，大量综述文章对基于液滴模板的微流控成形进行了介绍，包括对不同形状、不同材料的聚合物微粒子制备机理、方法及应用等。微流控光固化是微流控成形的重要组成部分，已被用于制备基于液滴模板无法加工的具有尖锐边缘的2D拉伸和3D各向异性形状的微粒子。

最新研究结果表明，锐缘微粒子可作为构建块用于薄膜隐身材料，结构材料，微型机器人系统的搭建，并带来性能的显著改变。基于微流控光固化制备微粒子的研究和开发变得越来越重要，需要全面系统，由浅入深地总结近年来的研究进展，指出目前的局限性，并为该领域的未来发展提出建设性的建议。

据麦姆斯咨询报道，近期，清华大学以及南京航空航天大学的研究人员在Materialstoday期刊上发表题为“Microparticles by microfluidic lithography”的文章，对微流控光固化技术的基本要素（即微流控器件、前驱体、掩模和紫外光）进行全面介绍的基础上，讨论了微流控光固化技术的最新研究进展，以及制得微粒子的多样性。提出了包括自组装和烧结在内的后处理技术，以潜在地将微粒子实验室制备与实际应用联系起来。着重从细胞操控、生物检测、防伪三个方面分析了微粒子的应用前景。最后，总结了功能微粒子的局限性，并对其未来发展进行了展望，旨在为功能微粒子的微流控可控制备和应用提供帮助。

微流控光固化及其基本要素

可光固化的前驱体在微通道内流动，紫外光经过带有特定形状透光孔的掩膜投射到微流道中，通道中前驱体受到紫外光曝光的瞬时固化形成微粒子。根据前驱体在微通道中流动的连续性可分为连续流和间歇流微流控光固化。

图1 连续流、间歇流光固化及微粒子制备：（a）基于连续流光固化制备的二维拉伸的柱状微粒子；（b）间歇流光固化制备工艺及两种光固化工艺制得的微粒子形态对比  

图2 基于微流控光固化技术的微粒子制备研究发展历程。微流控通道的结构主要分为四种类型：矩形直通道、多入口通道、微柱置入通道和非矩形直通道；掩模的形状分为连续的2D形状、非连续2D形状和灰度编码形状；微粒子的形态从简单的二维拉伸的柱状，到层叠形状，再到3D各向异性的形状  

微粒子制备及其形态调控

图3 基于紫外光控制的微粒子形态调整：（a）通过调控紫外光强度分布和曝光时间调节微粒子形态；（b）通过紫外曝光时间和掩膜形状控制来调节微粒子形态；（c）通过紫外光焦平面位置和掩模形状控制来调节微粒子形态  

图4 基于微通道结构调整的微粒子形态控制：（a）锁定-释放间歇流光固化制备两层状微粒子；（b）通过调节微通道上层气室气压在微通道中制备高度可调的多层状微粒子；（c）利用压头调节微通道高度制备多层状微粒子；（d）通过热拉伸制作的非矩形微通道制备3D形状微粒子；（e）通过折叠方式制作的非矩形微通道制备多面体微粒子  

图5 基于前驱体成分调配的微粒子形态控制：（a）兼具有亲水性和疏水性的双组分微粒子制备；（b）利用可光固化和非光固化前驱体相之间表面能差异制备具有弯曲表面的微粒子；（c）通过控制不同层流相中不透明添加物浓度制备阶梯状微粒子；（d）在特定位置嵌入超顺磁胶粒的微粒子制备；（e）利用特殊紫外光照特性的磁性添加物制备子弹状微粒子  

图6 基于多因素调节的微粒子形态控制：（a）基于微通道结构、前驱体组成和紫外光控制的微粒子成形；（b）基于（a）加上额外时间控制因素制得的微粒子；（c）通过在微通道设置锥形缩口控制微粒子的形状和尺寸  

微粒子后处理

图7 微粒子自组装：（a）长方体微粒子在液滴内的自组装；（b）2D拉伸形状微粒子组装结构；（c）疏水-亲水双相微粒子在水包油乳化液界面的自组装；（d）三层六边形柱状水凝胶微粒子组装；（e）阿基米德（截角）四面体微粒子的组装；（f）球体结构的逐层组装工艺；（g）基于“轨道-鳍”结构的微粒子微流控组装；（h）基于微通道截面几何约束的微粒子微流控组装

 

图8 微粒子烧结：（a）低固含量SiO₂微粒子；（b）低固含量Al₂O₃微粒子；（c）密度较大的SiO₂微粒子；（d）高固含量SiO₂微齿轮；（e）双组分磁性微齿轮  

微粒子应用

图9 水凝胶微粒子在细胞操控中的应用：（a）2D拉伸形状的水凝胶微粒子用于细胞培养；（b）圆盘形和章鱼形微粒子用于细胞运载；（c）多组分微粒子用于细胞粘附；（d）水凝胶微粒子组装体用于小鼠成纤维细胞培养  

图10 微粒子在生物检测中的应用：（a）多探针编码微粒子及其在生物检测中的应用；（b）彩色位点编码磁性微粒子及其在DNA检测和分析中的应用；（c）基于形状编码的水凝胶微粒子用于同时检测miRNA 21和miRNA let-7a  

图11 微粒子在防伪中的应用：（a）二维码微粒子及其在胶囊药物防伪中的应用；（b）微粒子用于药品和食品标记；（c）在不同挑战性环境下使用便携式解码器对编码的微粒子进行成像  

总体而言，该研究综述了近年来各向异性微粒子的微流控光固化制备及应用现状。从微流控光固化四个基本要素——微流控器件、前驱体、掩膜和紫外光出发，介绍了新型微粒子制备和后处理技术的最新进展。不断扩充的形状和独特的结构使得微粒子成为各种应用如细胞操控，生物检测和防伪等的理想载体。然而，尽管微流控光固化技术近年来在不同形态微粒子的可控合成方面取得了诸多鼓舞人心的显著进展，但仍有很大的改进空间。

（1）上述微粒子的形状通常由微通道（沿x轴）和UV光（沿z轴）交叉定义的相交空间决定，沿第三轴（y轴）的形状控制需要进一步开发，从而进一步提高微流控光固化的成型能力。沿第三轴的形状控制不仅限于依托微通道和紫外光实现，还有望探索其他的成形方法，如激光等。此外，还可以考虑轴向元件之间的相对平移和旋转设计进一步丰富微粒子的种类。

（2）由于微粒子固化是基于光交联的，故前驱体的透明度对微粒子成形有重要影响。前驱体中功能添加剂的材料和浓度决定了前驱体透明度，微粒子形状分辨率和透明度呈正相关。添加剂只要满足以下要求之一：高透明度、低浓度，以及与周围溶液折射率匹配，就可以获得高透明度的前驱体。然而，许多功能性添加剂不能满足上述要求，例如磁性和陶瓷纳米颗粒添加剂。另外这些添加剂制成的微粒子应用性能往往与添加剂的浓度呈正相关，这使得微流控光固化成形更加困难。因此，其他多种的光固化前驱体还有望被进一步开发。

（3）微流控光固化制备的通量是连接科学研究与微粒子实际应用的重要因素。为了提高生产率，应尽可能缩短“停止-聚合-冲洗”循环单元每一步所需的时间。此外，并行生产是成为进一步提高吞吐量的有效策略。

（4）不可否认，大多数微流控光固化制造技术仍停留在实验室阶段，实验结果与实际应用要求之间存在巨大差距。例如，迄今为止，如果没有人工操作的帮助，微粒子的自组装仍然很难完成，这阻碍了它们在组织工程等方面的进一步实际应用。现阶段装载细胞的微粒子3D组装结构依然非常简单，构建更为精细且复杂的3D组装结构仍然具有较大挑战性。

综上所述，利用微流控光固化技术制备的功能微粒子在生物医学工程、MEMS、功能材料、传感器、防伪等诸多领域有着重要的应用价值和广阔的市场前景。为了进一步实现微粒子对人类带来的裨益，仍然需要很多研究人员和企业家们的共同努力。

审核编辑：刘清