《Lab on a Chip》：A microfluidic method for controlled generation and trapping of membraneless water-in-water droplets
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研究人员针对传统水包油液滴微流控系统溶质交换受限、难以实时调控液滴组成以研究动态平衡外过程的问题，开发了一种基于死端腔室的油相水包水（W/W）微液滴原位生成与捕获平台。该平台无需表面活性剂或精确流速控制，通过几何结构调控扩散与相分离，实现了对液滴大小、浓度的精确控制，并成功应用于研究聚电解质络合物体系的动态亚区室可逆形成，为软物质、合成生物学和药物开发等领域的动态液-液相分离（LLPS）研究提供了强大工具。
在微观世界里，如何像控制“水中的小水滴”一样，精细操控两种水相溶液的分相行为，并实时改变它们的化学环境，是理解许多生物和合成过程的关键。传统微流控技术通常借助水和油之间的巨大张力，能轻松产生均匀的“水包油”液滴。但这种液滴如同一个个封闭的“小牢笼”，溶质难以进出，限制了实时调控液滴内部成分、进行长期动态研究的可能。另一种“水包水”（W/W）液滴体系，由于两相均为水相，分子交换自由，为解决这一问题带来了曙光。然而，水相之间极低的界面张力（仅为水油界面张力的千分之一到百分之一），使得生成稳定的水包水液滴变得异常困难，通常需要借助表面活性剂、结构限域或精密的流速控制。更关键的是，现有方法难以在稳定捕获液滴的同时，持续、可逆地改变其周围的化学环境，这使得研究液-液相分离（LLPS）系统如何响应物质交换和环境信号，或探索非平衡条件下的结构形成，变得极具挑战。
为了应对这些挑战，的研究团队在《Lab on a Chip》杂志上发表论文，介绍了一种创新的无油微流控平台。这个平台的核心是巧妙利用了“死端腔室”。研究者无需借助外部剪切力或表面活性剂，仅通过控制主通道中的溶液成分和扩散时间，就能在死端腔室内原位引发液-液相分离，生成并稳定捕获水包水液滴，实现了对液滴大小和浓度的双重精确调控。这个“开放式”系统允许溶质在主通道和腔室之间自由交换，为研究LLPS系统的动态行为提供了前所未有的工具。他们不仅以经典的聚乙二醇-葡聚糖（PEG-dextran）体系验证了平台的精确可控性，还将其应用于一个关联性相分离的聚电解质络合物体系，首次在仅含两种组分的无膜凝聚体液滴中观察到了可逆的亚区室形成过程。通过进一步集成气动阀，他们还展示了不同腔室之间可控的分子通讯能力，为模拟细胞间的信号交流奠定了基础。
这项研究主要采用了以下几种关键技术方法：一是基于飞秒激光微加工（FLM）技术，在熔融石英玻璃中刻蚀出具有主通道、死端腔室和可调颈部结构的微流控芯片，其玻璃材质避免了溶剂蒸发和溶质向芯片材料扩散，保证了实验条件的长期稳定。二是利用荧光标记（如FITC标记的葡聚糖和罗丹明标记的PEG）和共聚焦显微镜成像，实时监测溶液扩散、相分离及液滴形成过程，并进行三维形貌重构。三是通过控制主通道中聚合物的浓度和流速，以及调节腔室颈部结构的几何尺寸（宽度和长度），精确调控扩散通量和液滴最终参数。四是在研究聚丙烯酸/聚（N，N-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯）（PAA/PDMAEMA）凝聚体时，通过微调盐浓度和流动状态，诱导并观察了内部亚区室的可逆形成。五是在研究液滴间通讯时，引入了集成有PDMS薄膜和气动压力通道的阀门结构，实现了对两个独立腔室间连接的开关控制。
结果部分详细阐述了该平台的设计、验证与应用。首先，直观对比了传统封闭式水包油（W/O）系统与本研究开放式水包水（W/W）系统的原理差异，凸显了新方法不依赖高界面张力和表面活性剂，而是通过溶质扩散驱动相分离的优势。
在“微流控芯片设计”中，文章介绍了芯片包含主通道、一系列死端腔室和连接二者的颈部。通过飞秒激光在玻璃上加工，避免了聚二甲基硅氧烷（PDMS）材质中常见的溶质吸附和扩散问题，为长期稳定实验提供了保障。
“使用PEG-葡聚糖系统进行验证”部分，研究者以经典的PEG-葡聚糖相分离体系为模型。他们采用两步法：第一步，将葡聚糖溶液泵入主通道，让其扩散进入腔室；第二步，切换为PEG溶液，诱发腔室内形成葡聚糖富集相液滴。研究发现，除了分子扩散，扩散渗透（diffusio-osmosis）效应也在溶质输运中扮演了关键角色。他们证实，液滴的浓度由主通道中PEG的浓度控制，符合相图；而液滴的大小则与第一步中扩散进入腔室的葡聚糖总量线性相关，这可以通过控制葡聚糖的暴露时间或调节颈部几何形状来实现。
“对液滴大小和浓度的控制”进一步展示了平台强大的调控能力。通过改变主通道中PEG的浓度，可以系统地改变液滴的大小和内部葡聚糖浓度。通过设计集成多种不同颈部尺寸（长度60-360 μm，宽度30-100 μm）的芯片，他们在一轮实验中就获得了不同大小的液滴，并定量分析了颈部几何尺寸对液滴体积的影响：液滴体积随颈部宽度增加而线性增加，随颈部长度增加而线性减小。此外，通过减小腔室尺寸、降低葡聚糖浓度并结合离心辅助，他们成功制备了直径小至~5 μm的微小液滴，展示了生成微型液滴的能力。
“应用于关联性LLPS”是本研究的一大亮点。研究者将平台应用于PAA/PDMAEMA这一关联性相分离（即复杂凝聚体，coacervate）体系。他们通过改变主通道中盐（KCl）溶液的浓度，成功诱导了凝聚体液滴的形成。更有趣的是，他们观察到了凝聚体液滴内部可逆的亚区室化（compartmentalization）过程：在持续流动条件下，亚区室会逐渐消失；当停止流动，液滴吸水膨胀，内部会重新出现多个亚区室；恢复流动后，亚区室又快速形成并再次消失。这种仅通过改变外部盐浓度流动状态即可可逆调控内部结构的能力，在以前通常需要三组分以上体系或剧烈改变环境条件的报道中是罕见的。
“扩展至研究腔室间通讯”部分，研究者通过集成气动微阀，实现了两个独立腔室之间连接的控制。他们在一个腔室中生成荧光标记的葡聚糖液滴，另一个中生成未标记的液滴。当打开连接通道后，可以观察到荧光分子从一个液滴向另一个液滴扩散，展示了可控的液滴间通讯潜力，为模拟细胞间相互作用等研究铺平了道路。
在“结论”部分，文章总结了这项研究的重要意义。这项研究发展了一种全新的微流控方法，成功解决了水包水液滴体系因极低界面张力带来的生成、捕获与操控难题。该方法摒弃了油相和表面活性剂，通过死端腔室内的扩散控制实现液滴的原位形成与稳定捕获，是一个真正的“开放式”系统。其在PEG-葡聚糖模型体系中展现出的对液滴尺寸和浓度的高精度、独立调控能力，超越了传统方法。更重要的是，该方法成功应用于关联性相分离的聚电解质凝聚体体系，首次在简单的双组分体系中实现了凝聚体液滴内部亚区室化的可逆控制，这为模拟生命细胞中膜性细胞器的动态组装与功能调控提供了强有力的模型系统。最后，通过集成气动阀实现的腔室间可控通讯，进一步扩展了该平台在合成生物学和复杂生化网络研究中的应用潜力。尽管存在响应时间受扩散控制、对复杂多组分内相独立调控有限等当前限制，但该工作为在精确可控的微环境中，深入研究液-液相分离的动态行为、非平衡态结构形成以及多区室系统的相互作用开辟了新的道路，在软物质科学、合成生物学、生物化学工程和药物开发等领域具有广阔前景。
