综述：滴状微流控技术：实现水凝胶颗粒的精密制备

《Droplet》：Droplet microfluidics: Enabling the tailored fabrication of hydrogel particles

　　**摘要**

水凝胶颗粒作为可调的微观平台，因结合了精确的架构以及多种化学、生物和物理功能而受到越来越多的关注。在制造策略中，液滴微流控技术已成为一种强大的技术，能够通过精确调控微观流体动力学来生产尺寸、成分和内部结构均可控的单分散水凝胶颗粒。本文首先概述了液滴微流控的基本原理，包括芯片制造、通道设计、液滴生成动力学、能量输入方式以及流体组成，这些共同奠定了可靠颗粒生产的基础。随后，我们重点介绍了兼容的水凝胶前体系统、凝胶化方法以及用于工程化定制水凝胶颗粒的功能化策略。进一步强调了这类颗粒的多功能性，它们在细胞培养、3D生物打印、药物输送和诊断等应用中的潜力。最后，我们对未来发展方向进行了展望，包括系统并行化、工艺自动化和人工智能集成，预计这将扩展液滴微流控水凝胶平台的可扩展性、功能性和跨学科影响。

**引言**

水凝胶颗粒是一种多功能软材料，具有高表面积和渗透性，直径通常在几微米到几百微米之间。近年来，由于其独特的物理化学性质和广泛的的应用潜力，它们受到了越来越多的关注。一方面，与块状水凝胶类似，水凝胶颗粒由亲水性聚合物网络构成，能够保持大量水分的同时维持结构完整性，从而表现出可调的机械强度、孔隙率和生物降解性。另一方面，根据其内在的化学组成和交联方法，它们能够响应各种环境刺激，如pH值、温度、离子强度和酶活性。此外，它们的高表面积与体积比以及可定制的内部微结构使得它们成为高效的质量传输、可控释放和空间定位功能化的理想候选者，适用于微创生物医学应用，包括可注射药物载体、细胞输送系统和生物传感器。

随着对具有定制性质的水凝胶颗粒需求的增加，传统的制造方法（如乳液聚合、机械破碎、膜乳化和喷雾干燥）在满足需要高均匀性、精确微结构和可定制功能的应用时面临挑战。在这种情况下，液滴微流控技术作为一种特别有前途的策略应运而生。通过在微通道内精确操纵不相溶的流体，这项技术能够生成高度均匀的液滴，这些液滴可以作为通过多种交联机制形成水凝胶的模板。这些系统能够实时控制颗粒的大小、形状和内部结构，并允许在单个颗粒中结合多种功能。此外，在微流控芯片上融入创新模块化设计，实现了原位聚合、封装、分选和分析等过程的无缝集成，从而能够精确操控、修改和表征生成的水凝胶颗粒。这些能力为构建细胞培养的微环境、设计智能药物载体和设计微观尺度传感器开辟了新的途径。最近在设备设计、材料兼容性和自动化方面的创新进一步扩展了液滴微流控平台在可扩展和可重复生产水凝胶微粒（HMP）方面的潜力。本文旨在全面概述液滴微流控技术作为定制制造水凝胶颗粒的强大平台（图1）。首先，我们讨论了液滴微流控系统的基本原理，包括芯片制造、微通道几何形状、流体动力学、能量输入策略、流体组成等。然后，我们关注水凝胶颗粒的工程化，探讨了天然和合成预聚物材料的选择、凝胶化方法以及功能化方法。重要的是，我们还强调了几个典型的应用领域，如细胞培养、3D生物打印、药物输送以及诊断和治疗，以说明这项技术的多功能性和广泛影响。最后，我们讨论了未来面临的挑战和趋势，旨在促进液滴微流控平台在水凝胶颗粒制造中的更广泛采用和工业转化。通过综合最近的进展并概述未来的发展方向，本文为这一多学科领域的研究和技术发展提供了连贯的框架。

**液滴微流控技术概述**

液滴微流控技术是微流控技术中的一个专门领域，专注于在不相溶流体系统中生成和操纵离散的单分散液滴。这项技术在层流条件下运行（雷诺数Re较低），能够精确控制液滴的大小、成分和生成频率。这种控制是通过仔细设计微通道几何形状和调节流体流量来实现的，从而可以生产从纳升到皮升体积的液滴。微流控芯片的制造策略对于建立精确流体控制和高效液滴生成所需的结构和功能基础至关重要。目前，有两种主要的制造策略被广泛用于构建液滴微流控通道：基于毛细管的芯片和基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的芯片。基于毛细管的芯片通常是通过将圆柱形和方形玻璃毛细管同轴组装到基底（如玻璃载玻片）上，并用环氧粘合剂固定来制造的（图2a）。这种简单而有效的方法产生了具有明确三维结构的微通道，确保连续相在接头处完全包裹分散相。这种配置显著提高了液滴生成效率。此外，玻璃与多种溶剂的化学兼容性使得这些芯片能够用于各种液相中的乳液制备，适用于单相和多相乳液以及微观材料的合成。同时，对快速原型制作和可扩展制造的日益增长的需求推动了基于PDMS的芯片的广泛应用。利用软光刻技术，可以从单一母模大量生产PDMS芯片，同时保持微通道特征的一致性。这一过程包括通过紫外（UV）光刻对涂有光刻胶的玻璃或硅基底进行图案化，然后浇铸和固化PDMS以形成微结构层。随后，将得到的PDMS结构粘接到空白玻璃载玻片或其他PDMS板上，从而创建密封的微通道（图2b）。这种技术使得构建复杂的微流控网络成为可能，这对于精确控制和操纵液滴至关重要，从而加速了功能性强液滴微流控系统的发展。

**微流控芯片的制造**

如何制造微流控芯片对于建立精确流体控制和高效液滴生成所需的结构和功能基础至关重要。目前，有两种主要的策略被广泛用于构建液滴微流控通道：基于毛细管的芯片和基于PDMS的芯片。基于毛细管的芯片通常是通过将圆柱形和方形玻璃毛细管同轴组装到基底上，并用环氧粘合剂固定来制造的。这种方法直接有效，能够产生具有明确三维结构的微通道，确保连续相在接头处完全包裹分散相。这种配置显著提高了液滴生成效率。此外，玻璃与广泛溶剂的化学兼容性使得这些芯片适用于多种液相中的乳液制备，以及微观材料的合成。同时，对快速原型制作和可扩展制造的日益增长的需求推动了基于PDMS的芯片的广泛应用。利用软光刻技术，可以从单一母模大量生产PDMS芯片，同时保持微通道特征的一致性。这一过程包括通过紫外（UV）光刻对涂有光刻胶的玻璃或硅基底进行图案化，然后浇铸和固化PDMS以形成微结构层。随后，将得到的PDMS结构粘接到空白玻璃载玻片或其他PDMS板上，从而创建密封的微通道。

**微流控芯片的制造策略**

（a）玻璃-毛细管微流控装置的光学图像及双乳液生成过程。经许可复制。版权2021，英国皇家化学学会。（b）用于制造基于PDMS的液滴微流控芯片的软光刻技术。经许可复制。版权2024，爱思唯尔。（c）用于单乳液生成的3D打印微流控芯片。经许可复制。版权2021，爱思唯尔。（d）通过将商用针插入硅胶管手动组装的液滴微流控装置的示意图。经许可复制。版权2022，IOP出版。近年来，快速原型制作和3D打印技术的新方法引入了工业级液滴微流控芯片的设计和制造。例如，Jeong等人开发了一种使用双面压印技术的三维整体弹性体装置，集成了1000个平行流聚焦生成器。该装置的生产通量高达1.5 L/h（水包油W/O乳液），每小时可生成超过300亿个液滴，平均液滴直径为45微米，变异系数（CV）仅为6.6%。如图2c所示，Jiang等人使用微立体光刻3D打印（BMF Precision Tech Inc.）开发了一种可重复使用的共流微流控装置，集成了宏观和微观结构，用于多种乳液的生成。该平台实现了高度均匀的W/O和O/W单乳液（CV<3%），并能够生成W/O/W和O/W/O双乳液，五个通道同时生成，显示出在高通量应用中的强大潜力。除了这些先进系统外，还出现了更简单但有效的微流控策略。例如，开发了一种基于商用针头的装置，将其插入硅胶管中以生成明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶微滴。剪切诱导的液滴形成和原位光交联使得能够生成尺寸可调的均匀颗粒。该设计还支持易于修改，用于生成Janus结构、核壳结构和空心结构，并在负载细胞的格式中显示出高生物活性，突显了其在组织工程和共培养应用中的潜力。总体而言，这些制造策略提供了一种多功能且可扩展的工具箱，对于生成液滴模板非常重要，这也是可控构建各种水凝胶颗粒的重要前提。

**微通道几何形状**

无论采用哪种制造方法，微流控微通道接头的复杂几何设计都定义了局部流体动力学，从而直接影响界面变形和液滴破裂。在用于液滴生成的各种微流控几何形状中，最普遍的配置包括交叉流、流聚焦和共流设计（图3a）。每种结构在控制液滴大小和形成动力学方面各有优势，因此在微流控应用中得到了广泛使用。在交叉流几何形状中，分散相和连续相以一定角度θ（0°<θ≤180°）汇合，其中t形接头配置（通道垂直相交的角度为90°）最为常见。随着流体流动，分散相侵入主通道，在接头处形成界面。连续相施加的剪切力和压力梯度使分散相伸入主通道，直到颈部变细并断裂成液滴。这种设置因其简单性和有效性而受到广泛青睐。液滴大小主要由连续相和分散相的相对流速决定，通常产生的液滴变异系数（cv）小于2%。对于流聚焦几何形状，分散相和连续相被同轴引入狭窄的收缩区域，在那里压力和粘性应力使内部流体伸长，并最终在喷嘴内部或下游形成液滴。狭窄区域具有剪切聚焦效果，有助于生成更小的单分散液滴，而且液滴体积和产量可以在很宽的范围内控制，因此更为流行。共流是通过使用一组同轴微通道实现的。在这种模式下，分散相和连续相流体几乎平行地相遇，外部流体产生的剪切力将界面拖动，直到内部流体断裂并形成液滴。液滴大小受多种参数影响，包括内毛细管尖端的直径、流速、挤出速率以及两相的粘度。通常，增加连续相的流速会导致更小的液滴，因为剪切力增强；而分散相的流速对液滴大小的影响相对较小。关于粘度，连续相的粘度越高，剪切力越大，促进液滴以更高频率形成。相反，分散相的粘度较高可能导致从滴落状态（液滴在毛细管尖端形成）转变为喷射状态（液滴在微通道下游形成）。

**液滴生成的流体动力学**

（a）液滴微流控中使用的经典微通道几何形状示意图：（i）交叉流。经许可复制。版权2017，美国物理学会；（ii）流聚焦。经许可复制。版权2023，wiley-vch；（iii）共流。经许可复制。版权2024，美国化学学会。每种设计都提供了独特的流动特性和界面控制，能够精确调节液滴大小、均匀性和生成速率。（b）圆锥-毛细管微流控装置中从滴落状态到喷射状态的转变的光学观察和边界分析。经许可复制。版权2007，美国物理学会。 **液滴生成的流体动力学**>
**液滴生成的流体动力学**

（a）液滴微流控中使用的经典微通道几何形状示意图：（i）交叉流。经许可复制。版权2017，美国物理学会；（ii）流聚焦。经许可复制。版权2023，wiley-vch；（iii）共流。经许可复制。版权2024，美国化学学会。每种设计都提供了独特的流动特性和界面控制，能够精确调节液滴大小、均匀性和生成速率。（b）圆锥-毛细管微流控装置中从滴落状态到喷射状态的转变的光学观察和边界分析。经许可复制。版权2007，美国物理学会。>**液滴生成的流体动力学**

**液滴破裂机制**

目前，广泛认可的有四种主要的流动机制：滴落、喷射、挤压和层流，这些机制是根据液滴破裂点相对于微通道连接处来分类的。实际上，无论微流体设备的配置如何，液滴形成过程通常包括三个基本步骤：首先，分散相和连续相的流体在连接处相遇形成一个不相溶的界面；其次，这个界面发生显著的变形，逐渐趋向于不稳定状态；最后，不稳定的界面自发地破裂成离散的液滴。在这个过程中，每个正在增长的液滴都会受到两种相互竞争的力的作用：来自连续相的粘性阻力，它将液滴向下拉；以及界面张力，它将液滴固定在分散相的开口处。在低流速下，粘性力将液滴从喷嘴上分离所需的时间超过了液滴收缩和形成的时间。因此，液滴在开口处或接近开口处形成，这是滴落机制的一个绝对不稳定的特征。在这种机制下，液滴破裂发生在固定的空间位置，并具有固有的频率，这使得它对外部干扰不太敏感，并能够生成单分散的液滴（图3b）。随着连续相或分散相流速的增加，分散相在发生足够的收缩之前就被从喷嘴上拉走了。在这种情况下，液滴破裂受到由喷射直径扰动引起的瑞利-普拉托不稳定性的控制。这些扰动本质上是不稳定的，并且幅度会增大，常常导致多分散液滴的形成。值得注意的是，在某些低毛细数（Ca）条件下，当分散相的流速明显超过连续相的流速时，连续相施加的粘性剪切力不足以破坏分散相流。相反，分散相占据了两种流体之间的界面区域，缩小了流体界面和相对通道壁之间的间隙。这在连续相的前后产生了足够大的压力梯度，克服了界面张力。因此，分散相被压缩并由于限制作用的压力梯度而被切离成离散的液滴，这表征了挤压模式。通过这种机制形成的液滴也高度单分散，尽管由于通道壁的限制，它们的形状更像塞子而不是球形。值得注意的是，当液滴微流体系统中的界面张力显著降低时，连续相和分散相可能会形成稳定的层流，而不会产生液滴。

**微观尺度上的力和无量纲数**

微流体系统中的液滴形成从根本上受到惯性、粘性、重力和毛细效应的相互作用的影响。在以长度L为特征值的微通道中，相应的特征应力可以近似为：惯性应力为fi～ρu2，粘性应力为fv～ηu/L，重力应力为fg～ρgL，毛细应力为fγ～γ/L，其中ρ、u、η、g和γ分别代表流体的密度、速度、粘度、重力加速度以及两种不相溶相之间的界面张力。为了更方便地描述这些力效应的相对优点，通常使用它们的任意两个比率来推导出几个代表性的无量纲参数，以统一不同系统之间的流动特性。这些参数包括雷诺数（Re）、邦德数（Bo）、毛细数（Ca）和韦伯数（We）等。它们的简化表达式和物理意义在表1中提供。

- **雷诺数（Re）**：Re = ρuL/η，表示流体流动中惯性应力与粘性应力的比率。在微流体系统中，Re通常在10^-6到10的范围内，此时粘性应力比惯性力更为主导，流体表现出明显的层流特性。
- **邦德数（Bo）**：Bo = ΔρgL2/γ，表示重力应力与毛细应力的比率，常用于评估重力在微系统中的影响。在液滴微流体中，Bo定义为Bo = ΔρgL2/γ，其中Δρ是连续相和分散相之间的密度差。由于两种相通常是液体且密度差异较小，且微流体通道中的特征长度尺度很小，Bo远小于1（Bo ? 1）。这表明在微流体系统中，重力效应与界面张力相比可以忽略不计。
- **毛细数（Ca）**：Ca = ηu/γ，表示粘性应力与毛细应力的比率。
- **韦伯数（We）**：We = ρu2L/γ，表示惯性应力与毛细应力的比率。

具体来说，雷诺数Re量化了流体流动中惯性应力与粘性应力的比率。在微流体系统中，Re通常在10^-6到10的范围内，此时粘性应力比惯性力更为主导，流体表现出明显的层流特性。邦德数Bo用于评估重力在微系统中的影响。韦伯数We则用于表征内相（Win）和外相（Cout）的惯性与粘性应力对液滴破裂的相对贡献。早在2007年，Weitz等人就使用Win和Cout研究了微毛细装置中液滴形成机制从滴落到喷射的转变，提出当Win + Cout ≈ 1时会发生转变。这种状态图为在类似实验条件下合理化和预测液滴形成机制提供了有用的框架。具体来说，在两相的低流速下，液滴通常以滴落机制产生，其特征是周期性形成并在毛细尖端处被掐断。从滴落到喷射的转变通常可以分为两种模式：在第一种模式中，转变是由连续相流速的增加驱动的。随着流速的增加，液滴直径最初会减小。当液滴直径大约等于内毛细尖端的直径时，分散相会自发地转变为喷射模式。在这种状态下，分散流体喷射沿下游方向逐渐变细，直到稳定在一个恒定直径。同时，由于瑞利-普拉托不稳定性，喷射在下游会波动并分裂成小液滴。尽管液滴大小可能比滴落状态下产生的要小得多，但不可避免地会产生卫星液滴，这会影响液滴大小的均匀性。另一种喷射模式主要是由内相流速的增加驱动的。在这种情况下，内相以比周围连续相更高的速度前进，导致由速度梯度引起的强界面应力。这种应力导致内相的径向膨胀，生成直径远大于毛细尖端的液滴。作用在界面上的剪切力会减速喷射，进一步促进其径向扩展。一般来说，不同流动机制下的液滴形成机制和产生的液滴大小会有显著差异，每种机制都受到不同力平衡和界面动力学的影响。

**从能量角度来看，微流体系统中的液滴生成技术通常分为被动型和主动型。这种分类及其相关的液滴形成机制已在几篇早期的综述中系统地讨论过，提供了详细的理论和技术见解。为了完整性和连续性，本文仅提供了基本概念的概述，作为后续关于HMP合成的讨论的序幕。简而言之，被动方法依赖于微流体通道内的内在流体力来生成液滴，无需外部能量输入。常见的配置包括T型接头、流动聚焦和共流几何结构，其中不相溶流体之间的剪切力和界面张力的相互作用导致液滴形成。这些系统的特点在于它们的简单性、易于制造以及能够生成高度单分散的液滴。在HMP合成的背景下，由于可重复性和可扩展性，被动方法被广泛使用。然而，它们在动态控制液滴大小和生成频率方面灵活性有限，因为这些参数本质上与流速和通道尺寸相关。相比之下，主动方法结合了外部能量源来主动调节液滴形成过程。例如，电场、磁场、界面振动和光热梯度等技术被用来对流体施加局部力，从而实现对液滴大小、频率和时间的精确控制。这些方法便于按需生成液滴，在需要复杂液滴结构或快速响应时间的应用中特别有利。尽管它们具有多样性，但主动系统通常涉及更复杂的设备架构，并可能需要专门的材料或制造技术。结合被动和主动的液滴生成策略可以充分利用每种方法的优势，为定制水凝胶颗粒的制造提供多功能工具包。这种集成使得能够精确控制颗粒的大小、形状和内部结构，以满足药物递送、组织工程和生物传感等应用的各种需求。**

**微流体系统中的常见主动机制用于控制液滴生成：** (a) 电润湿启用的主动液滴生成，其中施加的电场调节润湿性，将分散的液体滴分化成液滴。经许可复制。 (b) 在横向场下，磁场辅助的铁磁流体液滴生成，该技术可以在流动聚焦微流体装置中实现可调的液滴大小/形状并抑制聚集。经许可复制。 (c) 由喷墨喷嘴驱动的受限界面振动，通过液体抽取实现小于开口尺寸的飞升液滴的主动微流体生成。经许可复制。 (d) 光热激光驱动的液滴生成（PLDG）微流体装置示意图，其中强烈的聚焦激光脉冲在喷嘴状开口处产生瞬态空化气泡，将水推入油相通道形成液滴。经许可复制。

**液滴微流体技术作为一种多功能平台，已迅速发展为在不相溶流体系统中生成离散、尺寸可控的液滴，成为定制水凝胶颗粒制造的基础。该技术在多相流动框架内运作，其特点是不同流体相之间存在界面，最常见的是水相和油相之间的界面。这些界面的操控对液滴的形成和稳定性至关重要，这对于生产具有所需特性的水凝胶颗粒至关重要。通过选择适当的表面活性剂并修改微通道表面的润湿性，可以制备乳液，如W/O和油包水（O/W）乳液。如图5a所示，Xu等人展示了通过在油相中改变Span 80的浓度和水相中改变Tween 20的浓度，在同一个T型接头微流体装置中可控地制备单分散的O/W和W/O乳液。除了简单的乳液外，微流体系统还支持生成复杂的液滴结构，包括双乳液（如W/O/W和O/W/O）以及各向异性和Janus液滴。这些结构通常使用先进的微流体配置来制造，例如具有共轴几何形状的玻璃毛细装置，这些装置允许对多个相的封装进行精确控制。这种复杂的乳液在设计具有分层结构和多功能性的水凝胶颗粒方面非常有用，这在靶向药物递送和组织工程等应用中特别有益。能够设计多种类型的乳液和液滴结构，凸显了液滴微流体在定制水凝胶颗粒微观形态方面的灵活性。这种适应性对于根据具体应用要求定制颗粒特性至关重要，这将在后续章节中进一步探讨。**

**经典流体组成在液滴微流体中的应用：** (a) 在不同表面活性剂分布和浓度下，在单一微流体装置中可控生成O/W和W/O乳液。经许可复制。 (b) 全水基微流体系统用于生成核心-壳层微胶囊，其中通过电磁阀在流体界面上施加周期性扰动以促进均匀液滴生成。经许可复制。在HMP（含水微粒）的制备领域中，水相二元系统（ATPS）已成为传统油基乳液的一种有吸引力的替代方案。ATPS是通过将不相容的添加剂（通常是两种聚合物的组合或一种聚合物与盐的组合）以超过临界阈值的浓度混入水溶液中形成的，这会由于热力学不稳定性导致自发的相分离。这样会在不相溶的水相之间形成液-液界面，常见的例子是聚乙二醇（PEG）和右旋糖酐系统。ATPS的一个显著特点是它们具有极低的界面张力，通常在10^-4到10^-1毫牛/米之间，这比传统的油-水系统的界面张力低几个数量级。尽管这种低界面张力增强了生物相容性，并消除了对有机溶剂的需求，从而避免了繁琐的油去除过程，但它也给液滴生成带来了挑战。具体来说，低界面张力导致高的毛细数，使得仅使用被动方法难以形成稳定的水包水（W/W）乳液。因此，在基于ATPS的微流控系统中，通常需要外部能量输入来促进液滴的形成（见图5b）。例如，研究人员使用了周期性振荡的电磁阀来在流体通道中引入可控的扰动，从而能够稳定地连续生产基于PEG-右旋糖酐系统的单分散W/W和water-in-water-in-water（W/W/W）乳液。通过改变电磁阀的切换周期，可以调节ATPS液滴的大小和液滴之间的距离，实现对液滴特性的精确控制。总体而言，生成这种全水基乳液的能力扩展了液滴微流控技术在制备具有定制性质的水凝胶颗粒方面的多功能性。总的来说，液滴微流控的发展充满了艺术创造力和跨学科的研究内涵。在接下来的章节中，我们将进一步介绍定制水凝胶颗粒设计中涉及的重要原理和过程。

在过去20年的发展过程中，液滴微流控技术已经从一项新兴技术发展成为精确工程化水凝胶颗粒的关键工具。最初，研究工作集中在探索液滴形成的基本原理、优化设备架构以及开发功能性组件上。这些基础研究为在微观尺度上控制流体奠定了基础。随着该领域的成熟，研究重点转向了利用这些能力进行特定应用，特别是在材料科学领域。水凝胶颗粒或微凝胶因其可调的物理化学性质和在多个领域的广泛应用（包括生物医学、环境科学、纳米技术和催化）而受到了广泛关注。颗粒在这些应用中的性能与其形态、大小和大小分布密切相关。液滴微流控技术在生成单分散液滴方面提供了无与伦比的精度，这些液滴可以作为水凝胶颗粒形成的模板。这种精度源于能够精细调节微流控设备内的流速、通道几何形状和界面张力。在后续章节中，我们将深入探讨用于HMP制备的液滴微流控方法，探讨所使用的材料范围，并讨论受益于这项技术的各种应用。通过这些探讨，我们旨在突出液滴微流控技术在设计和生产定制水凝胶颗粒方面的变革性影响。

在液滴微流控中使用的预聚物系统是关键组成部分，它们对最终水凝胶颗粒的物理、化学和生物性质有着重要的影响。水凝胶颗粒本质上是微米级的、高吸水性的、可膨胀的聚合物网络，其材料来源与传统的水凝胶构造相似。这些材料大致可以分为两大类：天然聚合物和合成聚合物（见表2），它们都表现出优异的保水性和凝胶形成能力。

表2. 适合构建水凝胶颗粒的代表性聚合物材料

| 材料 | 来源 | 特性 | 凝胶化方法 |
|-------------------|----------------------------------|------------------------------------------|
| 果胶 | 76, 77 | 热可逆凝胶化，高强度，低细胞粘附性，惰性 | 物理凝胶化（冷却诱导的氢键形成） |
| 海藻酸盐 | 78-82 | 生物相容性，无毒，快速凝胶化，广泛用于细胞封装 | 离子交联（例如，Ca2+、Ba2+） |
| 支链淀粉 | 83-85 | 可生物降解，抗菌，阳离子性，pH敏感 | 离子交联（例如，TPP），pH触发凝胶化，化学交联（例如，戊二醛） |
| 透明质酸 | 86-88 | 结缔组织成分，高亲水性，生物活性，促进细胞迁移和增殖 | 化学交联（例如，甲基丙烯酸化+紫外线），酶促交联，席夫碱反应 |
| 胶原蛋白 | 89-92 | 结缔组织成分，生物活性，支持细胞粘附，可生物降解 | 热凝胶化，化学交联（例如，吉尼宾，戊二醛） |
| 凝血酶 | 83, 93, 94 | 血浆蛋白 | 生物活性，促进细胞粘附和迁移，快速凝胶化 | 酶促交联（凝血酶介导的纤维蛋白原聚合） |
| 明胶 | 95-97 | 胶原蛋白的水解衍生物 | 生物相容性，可生物降解，温度响应 | 化学交联（例如，甲基丙烯酸化+紫外线），酶促交联 |
| 丝素 | 98, 99 | 蚕茧 | 生物相容性，机械强度高，二级结构可调 | 物理凝胶化（例如，剪切，pH，超声处理），酶促交联 |
| 聚乙二醇（PEG） | 100-105 | 合成 | 生物相容性，亲水性，无毒，可改性用于功能化 | 光聚合（PEG的丙烯酸化衍生物，例如PEGDA），点击化学，自由基聚合 |
| 聚乙烯醇（PVA） | 106, 107 | 合成 | 生物相容性，机械强度高，化学稳定性好 | 物理凝胶化（冻融循环），化学交联（例如，戊二醛，硼砂） |
| 聚(N-异丙基丙烯酰胺)（pNIPAM） | 108, 109 | 合成 | 温度响应性，生物相容性，表现出LCST行为（约32°C），可逆相变 | 物理凝胶化（温度诱导），化学交联（例如，使用BIS） |
| 聚丙烯酰胺（PAAm） | 110-112 | 合成 | 不可生物降解，高含水量，机械强度高 | 化学交联（例如，使用BIS） |
| 聚异氰酸酯（PIC） | 113-115 | 合成 | 温度响应性，形成刚性螺旋结构，机械性能强 | 通过超分子组装实现热凝胶化 |

正如其名称所示，天然聚合物来源于自然来源，具有多种优势，包括优异的生物相容性、可生物降解性、仿生特性（例如与天然细胞外基质[ECM]在结构和组成上的相似性）、低密度、成本效益和可再生性。它们可以进一步分为多糖类（如果胶、海藻酸盐、透明质酸和壳聚糖）和蛋白质类（如胶原蛋白、丝素、纤维连接蛋白和明胶）。其中，果胶是一种线性、中性的多糖，从海藻中提取，由β-1,3-连接的-d-半乳糖和α-1,4-连接的3,6-无水-l-半乳糖重复单元组成，因其独特的热可逆凝胶化行为而受到关注。在较高温度（90–100°C）下，果胶链间的氢键被破坏，聚合物呈现无规卷曲构象，形成透明溶液。当温度降至30–40°C时，链通过氢键重新结合形成有序的双螺旋结构，从而导致凝胶化。随着各种制造技术的发展，特别是液滴微流控技术，果胶已成为制备定制水凝胶颗粒的主要聚合物，并在生物医学应用（如细胞培养）中得到广泛应用。例如，Magdalena等人使用液滴微流控平台将人类多能干细胞（hPSCs）封装到单分散的果胶微凝胶中。在这些微环境中，hPSCs可以自我组织成极化的类上皮球体，并在自我更新和分化条件下保持其表型，从而实现对支配外胚层腔形成的调控网络的全基因组研究。此外，果胶在广泛的pH范围内表现出中性表面电荷，与大多数带电的多糖不同。这种中性减少了蛋白质晕圈的形成，提高了药物装载和输送效率，使其成为药物输送应用中的有前景的载体。另一种广泛研究的多糖是海藻酸盐，它是一种阴离子线性共聚物，由β-d-甘露糖酸（M）和α-l-古拉糖酸（G）残基组成，排列成均聚（M块和G块）和异聚（MG块）序列。海藻酸盐主要从褐藻中提取，具有优异的生物相容性和温和的凝胶化行为，在生物医学应用中特别有吸引力。在Ca2+等二价阳离子存在下，海藻酸盐通过G块的离子交联迅速形成水凝胶，遵循“蛋盒”模型。这种简单的、对细胞友好的凝胶化机制促进了其在液滴微流控系统中用于生成载细胞水凝胶颗粒的广泛应用。例如，海藻酸盐水凝胶颗粒由于其可调节的机械性能和渗透性，已广泛应用于三维细胞封装、药物输送和可注射组织支架。此外，通过改变M/G比例或与其他聚合物混合，可以进一步调节海藻酸盐的物理化学特性，从而扩展其在定制特定细胞或治疗功能微环境方面的多功能性。

在基于蛋白质的天然聚合物中，明胶及其化学改性衍生物GelMA因其优异的生物相容性、可生物降解性和内在的生物活性而受到关注。明胶来自胶原蛋白的部分水解，保留了许多细胞结合基序（如RGD序列）和基质金属蛋白酶敏感位点，使其非常适合用于载细胞水凝胶系统。然而，天然明胶的机械稳定性较差，凝胶化行为是热可逆的，这限制了其在长期或生理温度应用中的独立使用。为了克服这些限制，通过在明胶骨架中引入甲基丙烯酰基团，开发出了GelMA，使其能够在温和条件下进行光交联。最近的一项综合综述强调了GelMA相关研究的快速增长，过去5年中有超过15,900篇相关论文发表。同时，对 porousity、粘度、机械强度、膨胀行为、可生物降解性和细胞相容性等一系列分子网络特性进行了系统分析，为未来在组织工程、再生医学和其他生物医学应用中设计多功能GelMA颗粒奠定了坚实的基础。

与天然聚合物相比，合成聚合物通常具有足够的机械性能、设计灵活性、加工能力、可重复性和化学稳定性，特别是在需要高强度、稳定性和可预测性的功能性设计中。近年来，许多合成聚合物（如PEG、聚乙烯醇、聚(N-异丙基丙烯酰胺)和聚丙烯酰胺（PAAm）在液滴微流控系统中展现出了无与伦比的多功能性。其中，PEG是一种典型的合成来源聚合物，通过环氧乙烷和水的逐步加聚制得。其末端羟基具有高反应性，便于制备功能性大分子。当其末端被甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯基团封闭时，可以在适当的光引发剂存在下暴露于紫外线下，实现快速交联以连续合成水凝胶颗粒。早期，Doyle等人使用微通道中的紫外光照射含有PEG二丙烯酸酯（PEGDA）和光引发剂的流动前体溶液，由于PDMS表面自由基聚合的抑制，他们使用了最简单的设备设计，实现了每秒近100个PEGDA功能水凝胶颗粒的产量。此外，聚合反应也可以在层流共流中进行，以生成含有不同化学物质的Janus颗粒，并且可以容易地调整这些颗粒的相对比例。这种高通量技术被称为止流光刻，它在提高水凝胶颗粒的时空产量和形态范围以及对其大小、形状和各向异性的控制方面显示出巨大潜力。受此启发，deMello等人进一步展示了液滴微流控和连续流光刻的结合。通过简单调整紫外线照射的位置和光脉冲的长度及数量，可以调节生成的PEG聚合物衍生物颗粒的数量和长度，为快速生成人工细胞复制品的内部支架开辟了新方法。在最近的一个案例中，Kim等人使用液滴微流控设备制备了单分散的三重乳液颗粒。核心水含有二价离子，外层水含有PEGDA和海藻酸盐。首先通过紫外线照射对PEGDA进行光交联，然后从核心注入二价离子，破坏中间的油层以离子交联海藻酸盐。所得到的双网络壳比仅由PEGDA制成的单网络壳具有更好的机械稳定性。双网络的增强弹性使PEG衍生的水凝胶颗粒能够在严重的剪切流下保持完整性。实际上，天然聚合物和合成聚合物的结合也可以改善水凝胶的机械性能，并确保其生物活性。例如，通过引入含有生物活性基团的适当材料（如透明质酸、胶原蛋白、RGD、去细胞化的ECM和纤维蛋白原），可以改善聚合物的生物相容性，以实现特定的功能，如持续和靶向药物释放、干细胞命运调控、组织微环境重建和协同治疗策略。

根据用于生成液滴模板的预聚物的性质，选择适当的交联策略对于实现所需的HMP形态和功能控制至关重要。常用的交联方法包括离子交联、光聚合、温度诱导凝胶化、酶促交联、点击化学反应等。离子交联发生在带电聚合物链与带相反电荷的二价或多价离子之间。一个典型的例子是负电荷的藻酸盐链与正电荷离子（如Ca2+、Ba2+和Fe3+）之间的静电相互作用。根据引入交联离子的位置，这一过程可以在芯片上或芯片外实现（图6a）。在芯片上的方法中，藻酸盐和钙溶液在微流控设备中同时流动，从而实现即时交联。133, 139 相比之下，芯片外的方法是在生成藻酸盐滴后直接将其收集到含有上述离子的溶液浴中以完成随后的凝胶化过程。134, 140 总的来说，这两种策略提供了互补的优势，使用户能够灵活地平衡芯片设计的复杂性和操作的简便性。值得注意的是，尽管离子交联能够在温和的条件下实现快速凝胶化，但由于离子键的可逆性，由此产生的水凝胶颗粒可能会具有有限的机械稳定性。141

图6（在图查看器中打开）PowerPoint

多种适用于滴状微流控的交联策略。(a) 滴状模板下的水凝胶颗粒离子交联：(i) 通过控制藻酸盐-EDTA复合物中的Ca2+释放来诱导的芯片上交联。经许可复制。133 版权2016，英国皇家化学会。(ii) 将滴状物浸入Ca2+和Fe3+溶液中实现的芯片外地交联。经许可复制。134 版权2024，Wiley-VCH。(b) 通过UV诱导的光聚合制备PEGDA水凝胶颗粒。经许可复制。135 版权2016，英国皇家化学会。(c) 通过低温诱导胶凝的明胶滴状物。经许可复制。124 版权2021，Wiley-VCH。(d) 通过HRP介导的酶交联在微流控设备中形成的中空水凝胶颗粒，H2O2通过半透性管从外部向内部扩散引发凝胶化。经许可复制。136 版权2024，Wiley-VCH。(e) 通过四嗪-norbornene逆电子需求Diels–Alder (IEDDA)点击化学在微流控设备中制备水凝胶微球。经许可复制。137 版权2023，英国皇家化学会。(f) 用于制备水凝胶微胶囊以提供胰腺岛器官培养所需支持环境的聚合物介导的交联策略。经许可复制。138 版权2020，Wiley-VCH。光聚合

光聚合是一种广泛使用的交联策略，它涉及在光（通常是紫外线或可见光波长）的作用下，在光引发剂的存在下引发聚合物网络的形成。通过在微流控芯片的下游结合蜿蜒通道或螺旋通道等往复微通道设计，可以有效地将含有功能单体和光引发剂的滴状物暴露在光下，从而触发自由基聚合并实现直接的滴状物凝胶化。21, 142 用于通过光交联单体制备水凝胶颗粒的常见系统包括PEGDA，143 GelMA，34 甲基丙烯酰透明质酸，144 等。值得注意的是，这样的光引发的加成反应经常受到氧气清除自由基的强烈抑制。对于滴状微流控，尤其是对氧气高度渗透的PDMS芯片系统，氧气的持续存在以及随后过氧化物的积累对小尺寸滴状物的聚合和功能应用有巨大影响。145 为了解决这个问题，Oakey等人设计了一个高压氮气保护层围绕微流控设备通道，这不仅防止了环境氧气扩散到系统中，而且在滴状物形成之前也去除了载体相和大分子溶液中的残余氧气（图6b）。135, 146 此外，通过增加氮气层的压力，随着氧气浓度的降低，可以轻松制备小至40纳米的负载细胞的PEGDA颗粒。其中，封装后的细胞存活率高达95.6%。这种高生物相容性是用传统的滴状光聚合设备难以实现的。温度诱导的凝胶化

温度诱导的凝胶化利用了某些聚合物的热响应行为，这些聚合物在温度变化时会经历溶胶-凝胶转变。在微流控系统中，预聚合物溶液在滴状物生成期间保持在溶胶状态，并通过调节温度在芯片上或芯片外地进行凝胶化。例如，通过在高于其凝胶化点的温度下冷却，可以将形成的明胶滴状物固化（图6c），而基于PNIPAAm的水凝胶可以通过加热至其下临界溶液温度（LCST，通常约为32°C）进行交联。124, 147

酶促交联

酶促交联利用特定的酶在温和且生物相容的条件下催化聚合物链之间的共价键的形成。148 这种方法特别适用于涉及敏感生物组分（如细胞、蛋白质或生物活性分子）的应用（图6d）。常用的酶包括辣根过氧化物酶（HRP）、转谷氨酰胺酶和酪氨酸酶，这些酶在聚合物主链上存在适当的功能基团（例如酚基、氨基或硫基）时促进交联反应。在微流控平台上，酶促交联通常通过在滴状物形成过程中或收集过程中将酶引入滴状相或连续相中来实现。通过控制酶浓度、底物可用性和环境条件（如pH值和温度），可以精细调节交联的速度和程度。

点击化学反应

点击化学反应提供了一种高效且选择性的交联滴状物模板的方法，其特点是反应速度快、产率高，并且在温和条件下具有出色的正交性。150 这种交联依赖于使用杂原子，如铜催化的叠氮-炔烃环加成、Diels–Alder反应或硫醇-烯烃偶联。如图6e所示，Santos等人使用两种修饰有四嗪或norbornene作为功能基团的PEG作为前驱聚合物，并通过Diels–Alder点击化学反应在单个同轴玻璃微流控平台上直接制备了大小为200–600纳米的均匀水凝胶颗粒。137 这种凝胶化策略不需要额外的引发剂或催化剂，合成路线相对简单，不会与可能的负载物（如蛋白质）发生交叉反应，并且与细胞封装高度兼容，因此是一个有前景的选择。界面复合

作为一种多相流动系统，滴状微流控具有将反应或复合过程限制在滴状物界面上的独特优势。151 界面复合指的是在两种不相溶相的界面处自发形成水凝胶网络，通常是由带相反电荷或反应性的聚合物物种之间的相互作用驱动的。在微流控滴状物系统中，这一过程通常是通过将含有聚电解质的水相分散到含有相反电荷或可交联组分的不相溶连续相中实现的。在一个非常相关的案例中，Liu等人开发了一种创新的滴状微流控系统，通过相反电荷的藻酸盐和壳聚糖之间的界面复合来制备均匀的混合水凝胶胶囊（图6f）。138 这些胶囊实现了高通量、全水相、一步法封装和三维（3D）培养人源多能干细胞衍生的胰腺内分泌细胞，最终促进了功能性岛状体的形成。此外，这种策略通过后处理技术（如逐层沉积相反电荷的聚合物）可以对壳体厚度、通透性和机械强度进行精确控制。实际上，界面复合特别适用于封装脆弱的生物材料，因为反应是局部的，并且在温和的水条件下进行。尽管如此，仍然存在一些挑战，包括对内部凝胶化的有限控制、界面处的潜在不稳定性和放大性的困难，这些问题都需要解决以扩大其实际应用范围。总体而言，不同的交联策略在操作复杂性、材料兼容性和功能结果方面表现出不同的权衡。离子和温度诱导的凝胶化通常简单快捷，适合高通量封装，尽管由此产生的网络可能具有有限的机械稳定性。相比之下，光聚合和基于点击化学的方法提供了更高的结构精度和可调性，但代价是设备复杂性和操作要求的增加。酶促和界面复合策略提供了高度生物相容的环境和温和的反应条件，特别适合负载细胞的系统，但在可扩展性和长期稳定性方面可能面临挑战。从实际角度来看，多种交联策略为功能性水凝胶颗粒的制备和设计提供了多样的工具包。水凝胶颗粒的功能化

通过将额外的通道集成到滴状微流控系统中，可以实现对具有不同物理和化学性质的原材料的精确采样和受控分布。这使得能够在每个滴状物内精确整合组分，以产生协同效应。此外，根据具体应用需求，滴状微流控还允许生成具有多样拓扑形态的复杂颗粒。152 这种先进的结构可调性提供了扩展的设计灵活性和功能定制性，显著增强了水凝胶颗粒的潜在应用。复合材料集成

水凝胶颗粒的功能和性能主要由其组成材料的内在性质决定。滴状微流控通过结合多个流体入口，允许可控地引入各种组分，如纳米颗粒、不同类型的细胞、光响应材料和生物活性因子到滴状物模板中。这种组成控制在大流控系统中特别有利，因为传统方法在高效结合和准确分配多个组分方面经常面临挑战。例如，通过调整关键参数（如流速和微通道设计），微流控系统能够对单个滴状物内不同材料的分布进行空间控制。因此，可以精确调整水凝胶颗粒的关键性质，包括机械强度、物理化学响应性和生物活性，以满足特定应用需求。153 在一个代表性的案例中，两种不同浓度的琼脂糖溶液（3%和0.5%）通过T形交叉点微流控装置的单独入口输送（图7a）。在生成滴状物之前，两种溶液在250毫米的蜿蜒通道中充分混合。154 通过简单改变两种溶液之间的流速比，可以调整得到琼脂糖颗粒的弹性模量大约35倍。这种能力使得能够创建具有独特机械特性的定制微环境，以用于先进的细胞研究。图7（在图查看器中打开）PowerPoint

各种类型的功能化水凝胶颗粒。(a) 在微流控设备中通过结合不同琼脂糖浓度的前体滴状物并随后进行热凝胶化生成的具有可调机械性能的琼脂糖水凝胶颗粒。经许可复制。154 版权2011，Elsevier。(b) 单核水凝胶颗粒。经许可复制。155 版权2023，美国化学会。(c) 多核水凝胶颗粒。经许可复制。156 版权2018，英国皇家化学会。(d) 多壳水凝胶颗粒。经许可复制。157 版权2019，Wiley-VCH。(e) 双侧分离（Janus）水凝胶颗粒。158 版权2014，Elsevier。(f) 多侧异质水凝胶颗粒。经许可复制。159 版权2020，Wiley-VCH。(g) 通过在受限通道中结合滴状物模板变形和流体动力学流场来构建具有更高阶功能性的非球形水凝胶颗粒。经许可复制。160 版权2019，Elsevier。拓扑设计

随着科学技术的进步，具有简单形态的传统水凝胶颗粒越来越无法满足日益增长的应用需求。通过不断探索微流控通道内的界面相互作用、乳液动力学和交联过程，人们正在不断构建具有复杂拓扑形态（如核壳结构或异质表面）的高阶颗粒。3, 161, 162

具体来说，核壳拓扑结构通常是通过在微流控系统的滴状物生成过程中通过多相乳化在不同阶段引入材料来制备的。163 这种结构配置使得核心和壳层之间能够实现精确的空间分离，其中外壳不仅作为物理屏障保护封装的核心材料免受外部刺激，还能够在环境信号的响应下控制核心内容的释放。根据层次的复杂性和封装核心的数量，核壳水凝胶颗粒可以进一步分类为单核、多核和多壳类型。每种配置都针对特定应用场景提供了独特的优势。单核结构代表了最基本的核壳水凝胶颗粒形式，其特征是一个核心被封装在周围的壳层中。例如，Zhou等人使用滴状微流控方法开发了磁性核壳水凝胶颗粒，以实现精确操控和功能化（图7b）。在他们的系统中，由聚苯乙烯磺酸和Fe3O4纳米颗粒组成的磁性流体作为核心相，而光敏丙烯酸树脂形成壳层。经过UV固化后，获得了平均直径约为55纳米的均匀核壳微球。同时，增加核心分散相的流速会导致核心尺寸的相应增加，进一步证明了滴状微流控在制造核壳结构时对核壳比例的精确控制。155 此外，微流控系统的多通道设计允许精确注入和空间排列不同的核心材料，使水凝胶颗粒能够包含多个负载不同功能因子的独立核心，从而支持更复杂和多功能的应用。在另一个案例中，Bian等人利用多内相毛细管微流控设备制造了包裹量子点的核壳条形码颗粒。这些颗粒的核心由嵌入了不同量子点的PEGDA水凝胶组成，赋予了独特的光谱特征，而分散有二氧化硅纳米粒子的乙氧基三甲基羟丙基丙烯酸酯壳层则增强了生物相容性，并实现了生物分子的固定（见图7c）。这种方法能够连续生成具有高编码能力的多组分条形码颗粒，显示出在生物医学应用中的巨大潜力。与单壳和多核结构相比，多壳水凝胶颗粒通过外壳层的多级设计进一步保护了核心材料，同时提供了更丰富的功能调节空间。多壳结构通常由不同的材料交替组成，每个壳层可以具有不同的功能特性，如保护、响应、扩散调节等。如图7d所示，作者报道了一种具有精细调节分子通透性的胶囊传感器平台，该平台利用毛细管微流控设备生成了油包水-水包油-油包水（W/O/W/O）三相乳液模板。所得到的胶囊包含一个含有等离子体纳米颗粒的水性核心、一个具有选择性通透性的油层，以及一个通过光交联形成的可调节孔径的水凝胶壳层。这种结构实现了受控的分子传输，并提高了检测灵敏度。当用于Hg2+检测时（使用赖氨酸封端的金纳米颗粒），即使在蛋白质丰富的环境中，该系统也表现出高选择性和灵敏度，这归功于胶囊壳层对干扰生物分子的排斥作用。随着微流控技术的不断发展，核壳水凝胶颗粒的设计灵活性和精确度不断提高，为其在生物医学、材料科学、环境工程等领域的广泛应用带来了更多功能性和高效的解决方案。异质结构是另一种提高水凝胶颗粒应用灵活性的有前景策略。在微尺度上，流体流动主要受粘性力的支配，从而产生稳定的层流并最小化横向混合。通过在滴液微流控平台内集成多个平行流道，可以将不同的材料有序引入单一滴液模板中，它们在内部形成明确的分隔区，同时保持物理分离状态。例如，Khan等人使用基于毛细管的微流控设备，通过两个平行毛细管生成了由亲水性和疏水性单体组成的双相滴液，每种单体含有不同溶解度的模型药物。经过下游紫外光聚合后，形成了Janus微颗粒，实现了活性药物成分的同时封装并保持了其稳定性（见图7e）。最近的研究努力构建了越来越复杂的分隔水凝胶颗粒。在一个典型的案例中，Wu等人结合微流控芯片和毛细管设备开发了一种微流控组装策略，用于制造具有高度可调内部结构的多腔室水凝胶颗粒。他们成功创建了多达20个不同腔室的颗粒（见图7f）。为了展示该方法的功能多样性，磁性珠子、荧光纳米颗粒和细胞被选择性地封装到不同的区域中，展示了其在生物医学工程和材料科学中的潜在应用。值得注意的是，上述拓扑设计主要强调了水凝胶颗粒的内部层次结构。然而，在实际应用中，微颗粒的整体大小、形状和结构对于决定其功能性和性能起着关键作用。特别是，微颗粒的外部形态对其在材料传输过程中的行为有显著影响，这是特定应用设计中的关键参数。在过去的几十年中，非球形颗粒因其独特的散射、流变和凝固特性而在工业和生物医学应用中受到了广泛关注。如图7g所示，Cai等人开发了一种简单且多用途的微流控策略，用于制造具有可控内部结构的单分散子弹形微颗粒。通过结合外部流体的剪切应力与微通道内的空间限制，滴液模板发生变形并随后发生聚合。通过调整流速和收集管的内径，可以精细调节变形程度。利用这种方法，甚至可以处理变形的双乳液，以获得具有不同内部结构的子弹形微胶囊。流动实验表明，这些各向异性的颗粒在狭窄通道中的流速高于体积相同的球形颗粒，而在宽通道中流速稍慢。值得注意的是，子弹形微颗粒在栓塞治疗、靶向药物传输和控制药物释放方面表现出优越的性能。预计随着对滴液微流控中微观现象理解的不断进步，水凝胶颗粒的形态和结构设计将进一步创新和多样化，为其在更广泛领域的应用铺平道路。

由于尺寸、形态和组成的无与伦比的可控性，滴液微流控已成为定制多功能水凝胶颗粒的强大平台。例如，这种微型化的水凝胶材料可以被设计为“多功能一体”的平台，用于环境修复和污染物检测，其中多个功能模块（如吸附、荧光报告和磁分离）集成在一个微球内。这种模块化微流控组装特别适用于含有多种污染物的复杂水介质，因为它能够实现协同功能、污染物捕获、重金属检测（如Hg2+）以及快速磁分离，同时避免了耗时且耗能的后分离过程。此外，由于水凝胶颗粒出色的生物相容性、可注射性和模块化特性，它们在生物医学应用中的使用日益增多，特别是在细胞培养、生物墨水开发、药物传输以及诊断和治疗方面（详见后续章节）。图8展示了水凝胶颗粒在细胞培养、生物墨水开发、药物传输以及诊断和治疗中的应用。（a）细胞培养用水凝胶颗粒的示意图，突出了两种代表性策略：（i）封装培养。经许可复制。版权2023年，Springer Nature。（ii）表面粘附培养。经许可复制。版权2023年，Wiley-VCH。（b）作为3D生物打印构建块的水凝胶颗粒。经许可复制。版权2019年，The Royal Society of Chemistry。（c）作为脂质体载体的水凝胶颗粒，用于输送以缓解骨关节炎。经许可复制。版权2020年，Elsevier。（d）装载VEGF的水凝胶颗粒能够促进治疗性血管生成并基于荧光的血管化监测。经许可复制。版权2021年，American Chemical Society。水凝胶颗粒因其高含水量和出色的生物相容性，有效模拟了细胞外基质（ECM）的关键方面，为细胞活动提供了有利的环境。迄今为止，大量研究致力于通过融合水凝胶颗粒来调控细胞的生长或功能性。根据具体需求，已经开发了两种主要的细胞沉积策略：将细胞封装在水凝胶基质中，或在水凝胶颗粒表面播种。在第一种模式中，水凝胶颗粒作为微胶囊，细胞被嵌入并在完全三维的微环境中培养。滴液微流控通过在凝胶化之前将单个细胞或小细胞簇悬浮在分散的聚合物相中来产生载有细胞的水凝胶颗粒。由于每个细胞周围都是细胞-基质界面，这种方法密切复制了体内组织结构。例如，Van Loo等人采用了一种新颖的三喷射空中微流控方法，大规模生产了作为“球形生物反应器”的中空水凝胶微胶囊。结果显示，在这些薄壳藻酸盐胶囊中形成了近乎100%有效率的管腔生成胚胎体（干细胞球体）和功能性心脏球体（见图8a-i）。类似地，一些近期研究专注于将肿瘤患者细胞封装在水凝胶颗粒中。通过模拟自然肿瘤微环境，这些方法展示了水凝胶颗粒在促进大规模、均匀和稳定的肿瘤类器官生产方面的潜力。这些进展在高通量药物筛选中发挥着关键作用，使得治疗策略更加有效和个性化。另一方面，依赖锚定的细胞会附着在水凝胶颗粒的表面（或渗透到孔隙中），而颗粒本身保持自由悬浮状态。滴液微流控在这里也表现出色，因为它能够生成具有均匀尺寸、可调表面化学性质和设计孔隙度的微载体。例如，Gan等人利用滴液微流控系统中固有的混沌对流效应，有效混合了GelMA预聚物和PEO。通过在滴液模板内精确控制PEO的剂量，可以实现多孔GelMA水凝胶颗粒的在线制造。值得注意的是，再生医学和工程化免疫细胞疗法的成功实施严重依赖于功能性细胞的大规模生产。高密度扩增对于满足这一需求至关重要。鉴于许多治疗性细胞类型依赖于锚定并需要附着在固体基底上以进行增殖，这样的水凝胶颗粒可以作为有效的微载体。它们能够在三维培养系统中保持悬浮和均匀分布，从而支持高效细胞附着、增殖和可扩展性，为临床应用所需的功能性细胞的批量生产提供了支持。此外，通过战略性设计，这样的水凝胶颗粒可以作为可注射的微组织，实现微创输送到体内。它们的可注射性和模块化特性有助于调节局部微环境和细胞间信号通路，从而促进组织修复和功能恢复。简而言之，新兴的水凝胶颗粒为探索各种疾病的新见解和发展适当的治疗方法提供了优越的候选物。除了直接用作细胞载体外，水凝胶颗粒还可以作为模块化生物墨水，并与3D打印技术结合，构建具有增强功能的多尺度生命系统。水凝胶颗粒基生物墨水的主要优势在于其固有的剪切变稀和自愈行为，这有助于在打印过程中顺畅挤出，并在沉积后保持结构完整性。如图8b所示，Xin等人开发了一种包含可点击PEG水凝胶颗粒的生物墨水，表现出优异的打印性能和稳定性。打印构建物可以通过光化学退火进一步稳定，从而在细胞的水凝胶颗粒间隙中促进细胞的高存活率。重要的是，滴液微流控为水凝胶颗粒提供了明确的尺寸特性，这对于稳定其在生物打印喷嘴中的流动行为和提高打印精度非常有价值。在一个代表性的案例中，Alge等人使用滴液微流控技术制备了直径为100和150纳米的单分散HMPs，旨在提高基于挤出的生物打印应用的打印精度。与通过传统电喷技术生产的多分散HMPs相比，微流控辅助的HMPs在打印过程中显示出更均匀的丝状物宽度。此外，使用100纳米HMPs打印的构建物显示出比使用150纳米HMPs打印的构建物更清晰、更明确的网格交叉点，表明较小的单分散颗粒有助于提高结构分辨率。总体而言，这些发现增强了水凝胶颗粒的打印性能，并支持了其在3D生物打印中的更广泛应用。实际上，将水凝胶颗粒作为生物墨水整合到3D生物打印中提供了一种构建仿生组织的多功能策略，有可能推进组织工程和再生医学的发展。作为实现可控治疗效果的关键策略，药物传输依赖于药物的有效封装和释放。滴液微流控能够高效地将多种药物封装进入水凝胶颗粒，并精确控制其物理化学性质，从而在药物释放动力学、靶向性和生物相容性方面提供独特优势，推动了智能药物传输系统的发展。如图8c所示，Yang等人报道了一种一步法微流控制备单分散GelMA@Lipo混合水凝胶颗粒的方法，其中负载了kartogenin（KGN）的脂质体稳定锚定在光交联的GelMA基质中。这种双屏障系统实现了持续3周的KGN释放，增强了体外软骨细胞的分化，并在关节中保持了超过5周的持久效果，有效减缓了大鼠模型中的骨关节炎进展。近年来，对响应远程刺激（如磁场或光）的水凝胶颗粒产生了极大兴趣。其中，嵌入了磁性纳米颗粒的热敏水凝胶颗粒尤其具有前景，因为外部交流磁场引起的温度变化可以在没有额外触发因素的情况下实现可控的药物释放。例如，Chen等人开发了一种新型核壳热敏水凝胶颗粒，在双乳液壳中同时封装了两种抗癌药物camptothecin和doxorubicin hydrochloride，以实现疏水性和亲水性药物的协同输送。通过在壳层中加入Fe3O4纳米颗粒，暴露于高频交变磁场会导致局部加热，触发水凝胶膨胀变化，从而实现两种药物的同步释放。除了直接控制药物释放外，水凝胶颗粒在经动脉栓塞治疗中也引起了广泛关注。在这个过程中，水凝胶颗粒可以用作安全有效的栓塞材料，有针对性地堵塞血管和血流，从而治疗肿瘤和动脉瘤等疾病。这一应用补充了前述案例，共同展示了水凝胶颗粒在药物递送领域的广泛应用价值。值得注意的是，除了直接控制药物释放外，水凝胶颗粒的拓扑结构在经动脉栓塞疗法中也受到了广泛关注。在此过程中，水凝胶颗粒作为安全有效的栓塞剂，选择性地堵塞血管并限制血流，为治疗肿瘤和动脉瘤等疾病提供了一种微创策略。总之，这些研究表明，微流体工程化的水凝胶颗粒为新兴的药物递送策略提供了显著的多功能性和广泛的应用潜力。

目前，将诊断和治疗功能集成到紧凑的水凝胶颗粒中代表了精准医疗的一个有前景的方向。借助滴液微流体技术，这类系统可以以可重复和可扩展的方式制造出来，为个性化疾病管理提供了巨大的临床转化潜力。例如，在一个相关案例中，使用微流体技术开发了载有VEGF的复合水凝胶系统，实现了治疗性的血管生成和基于荧光的监测（图8d）。通过将VEGF结合的荧光碳点与明胶-苯酚和丝素纤维蛋白结合，这些水凝胶颗粒实现了持续的VEGF释放，同时保持了生物活性和强烈的成像信号。在肌肉内给药后，这些水凝胶颗粒能够有效定位在缺血组织中，促进血管再生，并实现VEGF生物分布的实时追踪，展示了其在缺血性疾病图像引导治疗中的潜力。在另一个案例中，滴液微流体技术被用来制造具有各向异性的Janus水凝胶颗粒，这些颗粒能够同时进行多重传感器检测。具体来说，一个半球中含有葡萄糖敏感的荧光染料，而另一个半球中嵌入了pH敏感的荧光团，通过内部校准可以在不同的生理pH条件下实现准确的葡萄糖量化。作为概念验证，成功在模拟体液的溶液中测量了葡萄糖浓度，这证明了这些微珠未来发展为完全可植入的连续葡萄糖监测传感器的潜力。总体而言，这些研究为现代诊断和治疗应用开辟了新的途径，尽管还需要进一步的验证来确保其在临床环境中的安全性、有效性和转化潜力。

在过去的十年中，滴液微流体的进展已经证明它是一种强大的工具，可以构建出多功能的水凝胶颗粒，并对其大小、形态和组成进行精确控制。通过操控微尺度通道内的流体动力学，这项技术能够生成具有复杂结构（如核壳结构和多腔室结构）的单分散水凝胶颗粒。这些特性有效克服了传统制造方法的局限性，包括尺寸均匀性差、功能可调性有限以及重复性低等问题，并支持了针对特定应用的水凝胶颗粒的开发。滴液微流体的多功能性使其在材料科学、环境监测和生物医学工程等多个领域得到应用。在生物医学背景下，它能够在微尺度上控制颗粒属性，从而帮助生产仿生支架、靶向药物载体和生物传感平台，这些对于推进组织工程、治疗递送和诊断至关重要。尽管取得了这些进步，但仍有几个挑战限制了滴液微流体技术的广泛应用和工业转化。最显著的局限性之一是可扩展性和吞吐量。传统微流体系统的生产率通常较低，这限制了它们在大规模生产中的应用。为了解决这个问题，人们正在努力开发并行芯片阵列并整合高吞吐量策略以实现连续生产。同时，还提出了无需微通道的空气中的滴液生成技术，以克服与微通道限制相关的问题。通过在空气-液体界面而不是封闭通道内诱导界面不稳定性，这些方法将滴液形成与精确的流速控制和流体属性分离，从而提高了系统的鲁棒性和对高粘度系统的耐受性。值得注意的是，润湿诱导的界面不稳定性允许使用简单的基于喷嘴的装置生成单分散滴液，无需微制造芯片或表面活性剂，并且可以通过喷嘴并行化轻松扩大规模。这样的发展为高吞吐量和工业可行的滴液生产提供了替代途径。整合和自动化也是未来发展的关键方向。手动操作和对干扰的敏感性常常会影响过程的稳定性和重复性。为了解决这些问题，人工智能（AI）和机器学习已经被引入微流体平台。例如，利用卷积神经网络的AI辅助系统已被用于自动化滴液生成和实时监控制造过程。这些系统提高了一致性，减少了人力需求，并能够快速响应生产过程中的波动，从而提高了水凝胶颗粒制造的可精确性和鲁棒性。此外，材料创新仍然至关重要。扩展兼容的水凝胶前体和交联化学库将允许制造出具有精细调节的机械、化学和生物特性的颗粒。实际上，通过引入更多功能性聚合物材料（如智能响应材料或导电材料），水凝胶颗粒可以具有额外的环境响应性、机械强度或生物活性，同时保持其生物相容性，从而更好地满足复杂应用的需求。重要的是，建立标准化协议并遵守监管框架对于确保重复性和支持临床或商业转化是必不可少的。没有标准化程序，很难在不同平台上实现一致性或进行实际部署。展望未来，这一领域的持续进展将依赖于微流体、材料科学、自动化工程和转化研究的跨学科合作。随着技术的不断创新和整合，滴液微流体预计将在下一代水凝胶颗粒制造技术中发挥核心作用，可能会对从先进材料到生物医学工程等多个领域产生深远影响。

本工作得到了中国国家自然科学基金（52025132, 21621091, 22021001, 和 22121001）、111计划（B17027 和 B16029）、福建省自然科学基金（2022J02059）、福建省能源材料科学技术创新实验室（IKKEM）的科学技术项目（RD2022070601）以及XPLORER PRIZE的新基石科学基金的支持。

作者声明没有利益冲突。