利用微流控光固化技術(shù)制備微型粒子研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)展

近年來，微粒子因其獨(dú)特形狀、復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及在個(gè)體中實(shí)現(xiàn)多功能集成的能力引發(fā)了人們的廣泛興趣，其在生物分析診斷、組織工程、防偽、機(jī)械工程、結(jié)構(gòu)材料等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

微粒子的材料和形狀決定了其功能和應(yīng)用，例如，具有鋒利切削刃的棱柱形金剛石微粒子可用于微零件加工，具有高介電常數(shù)的陶瓷微球可用于吸波超材料的功能單元，圓盤狀硅微柱可用于太赫茲磁鏡的介質(zhì)單元，形狀均一的UO?微球可用作高溫氣冷堆燃料核心，多條帶組分復(fù)合微顆?？捎糜诰幋a領(lǐng)域。因此，研究不同材料不同形狀結(jié)構(gòu)的微粒子制備和應(yīng)用具有重要意義。

與傳統(tǒng)微粒子制備方法如噴霧干燥、水/溶劑熱合成、反溶劑沉淀、攪拌乳化、擠出成形、微立體光固化、激光聚合、微絲電火花加工、微注射成型相比，微流控光固化技術(shù)為微粒子的制備開辟了高精度、單分散性好、高通量等優(yōu)勢并存的新途徑。

微流控合成根據(jù)成形機(jī)理可分為兩類——基于微滴模板合成，微流控光固化。近年來，大量綜述文章對基于液滴模板的微流控成形進(jìn)行了介紹，包括對不同形狀、不同材料的聚合物微粒子制備機(jī)理、方法及應(yīng)用等。微流控光固化是微流控成形的重要組成部分，已被用于制備基于液滴模板無法加工的具有尖銳邊緣的2D拉伸和3D各向異性形狀的微粒子。

最新研究結(jié)果表明，銳緣微粒子可作為構(gòu)建塊用于薄膜隱身材料，結(jié)構(gòu)材料，微型機(jī)器人系統(tǒng)的搭建，并帶來性能的顯著改變。基于微流控光固化制備微粒子的研究和開發(fā)變得越來越重要，需要全面系統(tǒng)，由淺入深地總結(jié)近年來的研究進(jìn)展，指出目前的局限性，并為該領(lǐng)域的未來發(fā)展提出建設(shè)性的建議。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，清華大學(xué)以及南京航空航天大學(xué)的研究人員在Materialstoday期刊上發(fā)表題為“Microparticles by microfluidic lithography”的文章，對微流控光固化技術(shù)的基本要素（即微流控器件、前驅(qū)體、掩模和紫外光）進(jìn)行全面介紹的基礎(chǔ)上，討論了微流控光固化技術(shù)的最新研究進(jìn)展，以及制得微粒子的多樣性。提出了包括自組裝和燒結(jié)在內(nèi)的后處理技術(shù)，以潛在地將微粒子實(shí)驗(yàn)室制備與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來。著重從細(xì)胞操控、生物檢測、防偽三個(gè)方面分析了微粒子的應(yīng)用前景。最后，總結(jié)了功能微粒子的局限性，并對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望，旨在為功能微粒子的微流控可控制備和應(yīng)用提供幫助。

微流控光固化及其基本要素

可光固化的前驅(qū)體在微通道內(nèi)流動(dòng)，紫外光經(jīng)過帶有特定形狀透光孔的掩膜投射到微流道中，通道中前驅(qū)體受到紫外光曝光的瞬時(shí)固化形成微粒子。根據(jù)前驅(qū)體在微通道中流動(dòng)的連續(xù)性可分為連續(xù)流和間歇流微流控光固化。

圖1 連續(xù)流、間歇流光固化及微粒子制備：（a）基于連續(xù)流光固化制備的二維拉伸的柱狀微粒子；（b）間歇流光固化制備工藝及兩種光固化工藝制得的微粒子形態(tài)對比

圖2 基于微流控光固化技術(shù)的微粒子制備研究發(fā)展歷程。微流控通道的結(jié)構(gòu)主要分為四種類型：矩形直通道、多入口通道、微柱置入通道和非矩形直通道；掩模的形狀分為連續(xù)的2D形狀、非連續(xù)2D形狀和灰度編碼形狀；微粒子的形態(tài)從簡單的二維拉伸的柱狀，到層疊形狀，再到3D各向異性的形狀

微粒子制備及其形態(tài)調(diào)控

圖3 基于紫外光控制的微粒子形態(tài)調(diào)整：（a）通過調(diào)控紫外光強(qiáng)度分布和曝光時(shí)間調(diào)節(jié)微粒子形態(tài)；（b）通過紫外曝光時(shí)間和掩膜形狀控制來調(diào)節(jié)微粒子形態(tài)；（c）通過紫外光焦平面位置和掩模形狀控制來調(diào)節(jié)微粒子形態(tài)

圖4 基于微通道結(jié)構(gòu)調(diào)整的微粒子形態(tài)控制：（a）鎖定-釋放間歇流光固化制備兩層狀微粒子；（b）通過調(diào)節(jié)微通道上層氣室氣壓在微通道中制備高度可調(diào)的多層狀微粒子；（c）利用壓頭調(diào)節(jié)微通道高度制備多層狀微粒子；（d）通過熱拉伸制作的非矩形微通道制備3D形狀微粒子；（e）通過折疊方式制作的非矩形微通道制備多面體微粒子

圖5 基于前驅(qū)體成分調(diào)配的微粒子形態(tài)控制：（a）兼具有親水性和疏水性的雙組分微粒子制備；（b）利用可光固化和非光固化前驅(qū)體相之間表面能差異制備具有彎曲表面的微粒子；（c）通過控制不同層流相中不透明添加物濃度制備階梯狀微粒子；（d）在特定位置嵌入超順磁膠粒的微粒子制備；（e）利用特殊紫外光照特性的磁性添加物制備子彈狀微粒子

圖6 基于多因素調(diào)節(jié)的微粒子形態(tài)控制：（a）基于微通道結(jié)構(gòu)、前驅(qū)體組成和紫外光控制的微粒子成形；（b）基于（a）加上額外時(shí)間控制因素制得的微粒子；（c）通過在微通道設(shè)置錐形縮口控制微粒子的形狀和尺寸 ?

微粒子后處理

圖7 微粒子自組裝：（a）長方體微粒子在液滴內(nèi)的自組裝；（b）2D拉伸形狀微粒子組裝結(jié)構(gòu)；（c）疏水-親水雙相微粒子在水包油乳化液界面的自組裝；（d）三層六邊形柱狀水凝膠微粒子組裝；（e）阿基米德（截角）四面體微粒子的組裝；（f）球體結(jié)構(gòu)的逐層組裝工藝；（g）基于“軌道-鰭”結(jié)構(gòu)的微粒子微流控組裝；（h）基于微通道截面幾何約束的微粒子微流控組裝

圖8 微粒子燒結(jié)：（a）低固含量SiO?微粒子；（b）低固含量Al?O?微粒子；（c）密度較大的SiO?微粒子；（d）高固含量SiO?微齒輪；（e）雙組分磁性微齒輪

微粒子應(yīng)用

圖9 水凝膠微粒子在細(xì)胞操控中的應(yīng)用：（a）2D拉伸形狀的水凝膠微粒子用于細(xì)胞培養(yǎng)；（b）圓盤形和章魚形微粒子用于細(xì)胞運(yùn)載；（c）多組分微粒子用于細(xì)胞粘附；（d）水凝膠微粒子組裝體用于小鼠成纖維細(xì)胞培養(yǎng)

圖10 微粒子在生物檢測中的應(yīng)用：（a）多探針編碼微粒子及其在生物檢測中的應(yīng)用；（b）彩色位點(diǎn)編碼磁性微粒子及其在DNA檢測和分析中的應(yīng)用；（c）基于形狀編碼的水凝膠微粒子用于同時(shí)檢測miRNA 21和miRNA let-7a

圖11 微粒子在防偽中的應(yīng)用：（a）二維碼微粒子及其在膠囊藥物防偽中的應(yīng)用；（b）微粒子用于藥品和食品標(biāo)記；（c）在不同挑戰(zhàn)性環(huán)境下使用便攜式解碼器對編碼的微粒子進(jìn)行成像

總體而言，該研究綜述了近年來各向異性微粒子的微流控光固化制備及應(yīng)用現(xiàn)狀。從微流控光固化四個(gè)基本要素——微流控器件、前驅(qū)體、掩膜和紫外光出發(fā)，介紹了新型微粒子制備和后處理技術(shù)的最新進(jìn)展。不斷擴(kuò)充的形狀和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得微粒子成為各種應(yīng)用如細(xì)胞操控，生物檢測和防偽等的理想載體。然而，盡管微流控光固化技術(shù)近年來在不同形態(tài)微粒子的可控合成方面取得了諸多鼓舞人心的顯著進(jìn)展，但仍有很大的改進(jìn)空間。

（1）上述微粒子的形狀通常由微通道（沿x軸）和UV光（沿z軸）交叉定義的相交空間決定，沿第三軸（y軸）的形狀控制需要進(jìn)一步開發(fā)，從而進(jìn)一步提高微流控光固化的成型能力。沿第三軸的形狀控制不僅限于依托微通道和紫外光實(shí)現(xiàn)，還有望探索其他的成形方法，如激光等。此外，還可以考慮軸向元件之間的相對平移和旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)一步豐富微粒子的種類。

（2）由于微粒子固化是基于光交聯(lián)的，故前驅(qū)體的透明度對微粒子成形有重要影響。前驅(qū)體中功能添加劑的材料和濃度決定了前驅(qū)體透明度，微粒子形狀分辨率和透明度呈正相關(guān)。添加劑只要滿足以下要求之一：高透明度、低濃度，以及與周圍溶液折射率匹配，就可以獲得高透明度的前驅(qū)體。然而，許多功能性添加劑不能滿足上述要求，例如磁性和陶瓷納米顆粒添加劑。另外這些添加劑制成的微粒子應(yīng)用性能往往與添加劑的濃度呈正相關(guān)，這使得微流控光固化成形更加困難。因此，其他多種的光固化前驅(qū)體還有望被進(jìn)一步開發(fā)。

（3）微流控光固化制備的通量是連接科學(xué)研究與微粒子實(shí)際應(yīng)用的重要因素。為了提高生產(chǎn)率，應(yīng)盡可能縮短“停止-聚合-沖洗”循環(huán)單元每一步所需的時(shí)間。此外，并行生產(chǎn)是成為進(jìn)一步提高吞吐量的有效策略。

（4）不可否認(rèn)，大多數(shù)微流控光固化制造技術(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用要求之間存在巨大差距。例如，迄今為止，如果沒有人工操作的幫助，微粒子的自組裝仍然很難完成，這阻礙了它們在組織工程等方面的進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用。現(xiàn)階段裝載細(xì)胞的微粒子3D組裝結(jié)構(gòu)依然非常簡單，構(gòu)建更為精細(xì)且復(fù)雜的3D組裝結(jié)構(gòu)仍然具有較大挑戰(zhàn)性。

綜上所述，利用微流控光固化技術(shù)制備的功能微粒子在生物醫(yī)學(xué)工程、MEMS、功能材料、傳感器、防偽等諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場前景。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微粒子對人類帶來的裨益，仍然需要很多研究人員和企業(yè)家們的共同努力。

審核編輯：劉清