荷蘭特溫特大學Science Advances：空氣微流體（In-Air Microfluidics）3D打印活細胞結構

【引言】

微流體技術，是指把化學和生物等領域中所涉及的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成于生物芯片中，并經由微流道形成網絡，以可控流體流遍整個系統，從而取代化學或生物等領域一些常規實驗的一種技術。其技術基于微流控芯片，即完全可預測的流動行為與在線液體操作和監測手段。主要過程為液體從內部通道噴出，并被外部共混液體（coflowing liquid）拉出，形成單分散的液滴列，如圖1A所示。傳統的微流控芯片在轉化為臨床及工業產品上仍有較大距離。主要表現在：1，由于液滴在微流控芯片內操作，微流體液滴發生器的噴射量通常為1—10μl/ min。2，設計、制造和操作微流體裝置需要先進的技術和專業設備。3，去除coflow（例如油）非常困難。

【成果簡介】

近日，荷蘭特溫特大學的Claas Willem Visser等人提出了空氣微流體（In-Air Microfluidics-IAMF）技術，一種新型的無芯片平臺技術，可以在空氣中形成液滴，纖維和顆粒，并將其進一步沉積成具有內部架構的3D模型。在IAMF中，液體微射流被操縱并在空氣中結合，如圖1B所示。噴嘴1噴出的液體射流分解產生一列單分散的液滴，液滴列撞擊從噴嘴2噴射的完整液體射流，導致復合單分散液滴列向下流動。當在空中飛行時，這些化合物發生化學反應或物理反應，形成包封的液滴，顆粒，或者纖維。IAMF的關鍵物理機制是空中撞擊，封裝和固化。IAMF將消除微流控芯片壁引起的限制，從而帶來微流體的新應用。其可以以比基于芯片的微流體技術高10至100倍的速率制造直徑為20至300μm的單分散乳劑，顆粒和纖維。并且可以一步完成3D多尺度生物材料的制造。該成果在Science Advances上發表，篇名為“In-air microfluidics enables rapid fabrication of emulsions, suspensions, and 3D modular (bio)materials”。

【圖文導讀】

圖1.? IAMF的概念。

（A）基于芯片的微流體技術可以對液滴和顆粒進行在線控制，使其成為多功能的平臺技術。圖片顯示了通過協同流體coflow（粉紅色）輸送液滴（藍色）的芯片設計。

（B）IAMF依賴于射流噴射和空氣中的聚集，能夠保持芯片微流體的在線控制，同時，流速可以比基于芯片的微流體高兩個數量級。IAMF還能夠實現微粒生產并將微粒直接沉積到3D多尺度模型化的生物材料中。

圖2. ?IAMF的物理原理。

（A）IAMF的高速液滴觀測照片。噴嘴1噴出的液滴與噴嘴2噴出的噴流相碰撞。（B）IAMF噴射纖維的模式。比例尺，1mm。

（C）空中撞擊，封裝和固化機制的示意圖。低表面張力液體在高表面張力液體的周圍形成薄膜。

（D）高速液滴觀測照片，其中液滴用熒光染料選擇性標記。比例尺，1mm。

（E）高速液滴觀測照片，其中射流用熒光染料選擇性標記。在沖擊和封裝期間，液滴保持球形，而噴流在幾個直徑的行程內在液滴周圍擴散。比例尺，1mm。

（F）在沒有Marangoni驅動（即不同表面張力驅動）包封的藻酸鹽微粒。比例尺，0.4mm。

（G）在有Marangoni驅動包封的藻酸鹽微粒。比例尺，0.4mm。

（H）不同表面張力梯度Δσ和噴嘴直徑（D1 = D2）下的顆粒形狀。符號（m）表示球形顆粒，（□）表示不規則顆粒。實線為過渡線。比例尺，1毫米（黑色）和0.4毫米（白色）。

圖3. ?IAMF高通量生產具有各種組成，尺寸和形狀的單分散微乳液和微懸浮液。左邊的四個示意圖表示相關的控制參數。

（A—F）IAMF以“液滴-射流”（ drop-jet）模式操作，能夠生產單分散的（B）乳液，（C）雙乳液，（D）球形顆粒懸浮液，（E）單材料顆粒，（F）多材料核殼顆粒。比例尺，200μm。

（G—K）調整參數為微粒大小。比例尺，200μm。

（H—J）分別使用20，100和250μm的噴嘴直徑生產的顆粒。

（K）顆粒尺寸噴嘴直徑和驅動頻率的函數。從黑色到淡藍色的顏色表示2.3，3.5，4，4.5，5，6，7和8 kHz的驅動頻率。

（L—N）通過增加相對射流速度來制造細長顆粒。比例尺，200μm。

（O—Q）在“射流-射流”（ jet-jet）模式下的IAMF。能夠生產（P）直鏈和（Q）珍珠花邊形態。比例尺，200μm。

（R）不同噴嘴直徑和噴射流量下的噴射頻率。綠色圓圈是IAMF的數據點。紅色方塊是微流體液滴的數據點。液滴頻率用灰色虛線表示。

圖4. ?3D多尺度模塊化（生物）材料的一步式增材制造和注塑成型。

（A）通過堆疊形狀穩定的核-殼顆粒來制造具有受控微結構的模塊化自由形狀。（B）通過將復合物射流沉積到旋轉的基底上而形成中空圓柱體。比例尺，1cm。

（C）中空圓柱體由充液泡沫組成。比例尺，100μm。

（D）中空圓柱體由多材料固體組成，其中芯的交聯劑被添加到殼中，反之亦然。比例尺，100μm

（E）只有液滴的芯在空氣中固化，而較慢的固化殼使模具能夠無縫填充。

（F）通過填充骨形模具來生產模塊化結構。插圖：水凝膠結構仍然在模具中。比例尺，5mm。

（G—H）3D多尺度模塊化材料由MSCs（骨髓間充質干細胞）（粉紅色）組成，包封在海藻酸鹽微球（綠色）中，外部為葡聚糖 酪胺水凝膠（紅色）。比例尺， 5mm（G）、100微米（H）。

（I）注射成型多尺度模塊化組織結構。該構建體由包封在海藻酸鹽微粒（綠色）中的胰腺β細胞（MIN6；具有藍色核的米黃色）組成。載有細胞的微粒包封在含有人內皮細胞和干細胞（粉紅色，帶有藍色核）的促血管生成纖維蛋白網絡內。微環境支持MIN6細胞增殖，而大環境支持在體外培養7天內形成內皮細胞網絡。HUVEC，人臍帶內皮細胞。比例尺，100μm。

【小結】

本文介紹了空氣內微流體（In-Air Microfluidics-IAMF）技術，其每個噴嘴流量通常超過基于芯片微流體的兩個數量級。IAMF也省略了芯片制造和通道壁表面處理，防止了凝固誘發的堵塞，并且允許無油制造微粒（例如，微凝膠）。這些特性有利于微流體技術在不與微流控芯片兼容的環境中應用。此外，IAMF不需要高電壓或旋轉設備來保持液滴分離且可以進一步擴大顆粒組合物的多樣性。

IAMF可以通過控制空氣中微滴的凝固速度將其沉積到基材上，使得多尺度和功能材料的增材制造成為可能。該課題組將高形狀保真度，高通量和細胞相容性結合在含細胞材料的增材制造中。IAMF可以使用低粘度油墨來形成形狀穩定的顆粒，堆積成較大的固體結構。這種低粘度降低了噴嘴處的剪切應力，因此可以防止壓力引起的細胞死亡。

文獻鏈接：“In-air microfluidics enables rapid fabrication of emulsions, suspensions, and 3D modular (bio)materials”（Science Advances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aao1175）

本文由編輯部納米材料組mengya整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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