基于微流控的功能化凝聚相系统的构建及应用研究进展

在高分子溶液的缔合液液相分离过程中，均一的溶液体系会在熵或焓的驱动下经相分离形成两种液相：其中含有高浓度聚合物的一相被称为凝聚相（coacervates），含有低浓度聚合物的一相则称为稀相。这种凝聚相过程可以发生在多种合成高聚物或生物大分子中，如蛋白质、多糖和核酸。其中，由生物大分子组成的凝聚相构成了细胞内的多种无膜细胞器，在酶催化反应和遗传信息转录翻译等过程中发挥着重要作用。

为了更精准地调控聚合物的凝聚过程，并揭示这种凝聚相体系实现分子富集与调节反应速率的机制，研究者们借助微流控技术构建了包裹凝聚相的囊泡（coacervate-core-vesicles，COV）系统，以实现对相分离、分子富集与反应过程的时空控制。

基于此，近期，新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院俞璟团队在BMEMat期刊上发表题为“Progress in constructing functional coacervate systems using microfluidics”的综述文章。该文章汇总了近年来使用微流控通道构建凝聚相系统的研究进展，系统介绍了COV系统中膜结构的设计策略、环境响应型相分离过程的调控方法以及此类系统的应用场景。最后，作者深入讨论了基于微流控技术的功能化凝聚相系统的发展所面临的挑战与前景。

图1 基于微流控器件的复杂凝聚相系统构建方法及其应用

图2 液滴内复杂凝聚相分离过程调控  

图3 功能化凝聚相系统的应用场景 总体而言，微流控器件可以实现从下至上的凝聚相-囊泡体系的精准化构建，并可以结合在线调控与检测技术实时调整并监测高聚物相的凝聚与溶解。  

但液滴微流控技术仍面临一些经典问题亟待解决：

（1）为构建稳定与单分散性的多级乳液，需要向微通道内引入油相与表面活性剂等物质，在保证液滴稳定的同时增加体系的复杂性。同时，在十至百微米尺度下，流体与通道壁面的相互作用不可忽视，聚电解质与壁面的浸润作用变得明显，需要研究者仔细调控溶液体系并对壁面进行充分的亲水或疏水改性。

（2）微流控通道因易堵塞的特性不适用于操作有易团聚颗粒的分散液或高粘流体。在这种应用情境下，膜乳化器件则具有更高的鲁棒性。    

此外，将缔合液液相分离过程引入微流控芯片可观察到与其他多相乳液调控（如多种不溶相或双水相体系）完全不同的相分离现象，但对于高分子凝聚相特有的理化性质，如凝聚相的成核生长、流变特性以及固-液相转变等现象还缺少细致研究。  

同时，复杂凝聚相系统中的多级相互作用力，包括静电力、疏水作用、π-π相互作用、氢键等对分相过程的贡献也可以借助微尺度下的精准调控进行揭示，进而构建热力学稳定的凝聚相体系，为发展基于凝聚相的药物递送材料与高效微反应器奠定基础。   





审核编辑：刘清