基于微流控的功能化凝聚相系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用研究進(jìn)展

在高分子溶液的締合液液相分離過(guò)程中，均一的溶液體系會(huì)在熵或焓的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)相分離形成兩種液相：其中含有高濃度聚合物的一相被稱為凝聚相（coacervates），含有低濃度聚合物的一相則稱為稀相。這種凝聚相過(guò)程可以發(fā)生在多種合成高聚物或生物大分子中，如蛋白質(zhì)、多糖和核酸。其中，由生物大分子組成的凝聚相構(gòu)成了細(xì)胞內(nèi)的多種無(wú)膜細(xì)胞器，在酶催化反應(yīng)和遺傳信息轉(zhuǎn)錄翻譯等過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。

為了更精準(zhǔn)地調(diào)控聚合物的凝聚過(guò)程，并揭示這種凝聚相體系實(shí)現(xiàn)分子富集與調(diào)節(jié)反應(yīng)速率的機(jī)制，研究者們借助微流控技術(shù)構(gòu)建了包裹凝聚相的囊泡（coacervate-core-vesicles，COV）系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)相分離、分子富集與反應(yīng)過(guò)程的時(shí)空控制。

基于此，近期，新加坡南洋理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院俞璟團(tuán)隊(duì)在BMEMat期刊上發(fā)表題為“Progress in constructing functional coacervate systems using microfluidics”的綜述文章。該文章匯總了近年來(lái)使用微流控通道構(gòu)建凝聚相系統(tǒng)的研究進(jìn)展，系統(tǒng)介紹了COV系統(tǒng)中膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略、環(huán)境響應(yīng)型相分離過(guò)程的調(diào)控方法以及此類系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。最后，作者深入討論了基于微流控技術(shù)的功能化凝聚相系統(tǒng)的發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)與前景。

圖1 基于微流控器件的復(fù)雜凝聚相系統(tǒng)構(gòu)建方法及其應(yīng)用

圖2液滴內(nèi)復(fù)雜凝聚相分離過(guò)程調(diào)控

圖3 功能化凝聚相系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景 總體而言，微流控器件可以實(shí)現(xiàn)從下至上的凝聚相-囊泡體系的精準(zhǔn)化構(gòu)建，并可以結(jié)合在線調(diào)控與檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整并監(jiān)測(cè)高聚物相的凝聚與溶解。

但液滴微流控技術(shù)仍面臨一些經(jīng)典問(wèn)題亟待解決：

（1）為構(gòu)建穩(wěn)定與單分散性的多級(jí)乳液，需要向微通道內(nèi)引入油相與表面活性劑等物質(zhì)，在保證液滴穩(wěn)定的同時(shí)增加體系的復(fù)雜性。同時(shí)，在十至百微米尺度下，流體與通道壁面的相互作用不可忽視，聚電解質(zhì)與壁面的浸潤(rùn)作用變得明顯，需要研究者仔細(xì)調(diào)控溶液體系并對(duì)壁面進(jìn)行充分的親水或疏水改性。

（2）微流控通道因易堵塞的特性不適用于操作有易團(tuán)聚顆粒的分散液或高粘流體。在這種應(yīng)用情境下，膜乳化器件則具有更高的魯棒性。

此外，將締合液液相分離過(guò)程引入微流控芯片可觀察到與其他多相乳液調(diào)控（如多種不溶相或雙水相體系）完全不同的相分離現(xiàn)象，但對(duì)于高分子凝聚相特有的理化性質(zhì)，如凝聚相的成核生長(zhǎng)、流變特性以及固-液相轉(zhuǎn)變等現(xiàn)象還缺少細(xì)致研究。

同時(shí)，復(fù)雜凝聚相系統(tǒng)中的多級(jí)相互作用力，包括靜電力、疏水作用、π-π相互作用、氫鍵等對(duì)分相過(guò)程的貢獻(xiàn)也可以借助微尺度下的精準(zhǔn)調(diào)控進(jìn)行揭示，進(jìn)而構(gòu)建熱力學(xué)穩(wěn)定的凝聚相體系，為發(fā)展基于凝聚相的藥物遞送材料與高效微反應(yīng)器奠定基礎(chǔ)。





審核編輯：劉清