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?;谖⒘骺毓夤袒苽湮⒘W拥难芯亢烷_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?,F(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
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原文標(biāo)題:綜述: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
文章出處:【微信號(hào):Micro-Fluidics,微信公眾號(hào):微流控】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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