芬蘭奧盧大學(xué)：PDMS玻璃毛細(xì)管混合微流控器件，用于雙重乳液形成和分離

脂質(zhì)體具有模擬細(xì)胞脂質(zhì)膜的優(yōu)異能力，使其成為生物膜研究和自下而上合成生物學(xué)中重要的工具。微流控技術(shù)為以受控方式制備巨型脂質(zhì)體提供了一種有前景的工具。然而，作為巨型脂質(zhì)體的前體，雙重乳液（double emulsions）的微流控制備仍存在挑戰(zhàn)，從而限制了對(duì)這一潛力的充分探索。

近日，芬蘭奧盧大學(xué)（University of Oulu）和芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心（VTT）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)提出了一種PDMS-玻璃毛細(xì)管混合微流控器件，作為一種簡(jiǎn)便而多功能的雙重乳液制備工具。該器件不僅消除了選擇性表面處理的需求（這是PDMS制備芯片的常見問題），而且與玻璃毛細(xì)管制備芯片相比，它還具有制造簡(jiǎn)單且可重復(fù)使用的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使所提出的微流控器件成為一種多功能工具，可用于形成具有不同尺寸（直徑跨越兩個(gè)數(shù)量級(jí)）、殼層厚度、隔室數(shù)量和溶劑選擇的雙重乳液。通過以雙滴模式操作混合芯片，實(shí)現(xiàn)了魯棒的薄殼雙重乳液制備，而無需事先進(jìn)行親水/疏水處理。

此外，該研究開發(fā)了一種串聯(lián)分離芯片，作為傳統(tǒng)、耗時(shí)的基于密度的分離方法的替代方案，可在無需操作員干預(yù)的情況下，以連續(xù)且快速的方式分離出無油滴污染的純凈雙重乳液。該微流控器件的適用性通過利用溶劑萃取法制備巨型脂質(zhì)體得到了驗(yàn)證。這種用于雙重乳液模板的形成和分離的微流控平臺(tái)具有易于復(fù)制、靈活可靠的優(yōu)點(diǎn)，為高通量微流控制備巨型脂質(zhì)體和合成細(xì)胞鋪平了道路，為仿生研究開辟了令人興奮的途徑。上述研究成果以“Facile and versatile PDMS-glass capillary double emulsion formation device coupled with rapid purification toward microfluidic giant liposome generation”為題發(fā)表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊。

如圖1所示，本研究主要包括三個(gè)部分：第一，制造用于雙重乳液制備的PDMS-玻璃毛細(xì)管（混合）微流控器件并展示其多功能性；第二，通過連續(xù)分離方法純化雙重乳液樣品；第三，利用所提出的平臺(tái)展示巨型脂質(zhì)體的制備。

圖1. 本研究工作示意圖

本研究提出的混合微流控器件包括一個(gè)PDMS微流控芯片（W/O乳液在此形成）和一個(gè)玻璃毛細(xì)管（雙重乳液在此形成）。如圖2a所示，混合芯片分兩步組裝。第一步是粘合兩個(gè)相同的PDMS復(fù)制品，它們由3D打印模具鑄造而成，然后對(duì)齊并粘合在一起以形成PDMS芯片。在第二步（圖2b）中，將玻璃毛細(xì)管無縫插入PDMS芯片的出口通道。通過將具有不同ID的毛細(xì)管插入PDMS芯片（圖2c），可以制備各種尺寸的雙重乳液。組裝后的混合微流控器件如圖2d所示。使用該器件制備的雙重乳液如圖2e所示。接著，研究人員探討了使用這種創(chuàng)新方法制備雙重乳液的多功能性和可控性。

圖2. PDMS-玻璃毛細(xì)管混合器件

本研究的另一項(xiàng)成果是開發(fā)了一種片上分離方法，以解決該領(lǐng)域的一個(gè)實(shí)際問題。為了獲得進(jìn)一步研究所需的雙重乳液，需要進(jìn)行純化步驟，因?yàn)橹苽溥^程中可能會(huì)產(chǎn)生油滴。為此，提出了一種與混合器件串聯(lián)的分離芯片。這種分離方法利用流體流動(dòng)曲線和雙重乳液與油滴之間的密度差來凈化樣品中的油滴污染。所提出的片上分離方法去除了額外的片外處理步驟，從而顯著提高了雙重乳液通量。它還能實(shí)現(xiàn)快速處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控，甚至適用于雙重乳液密度低于連續(xù)介質(zhì)的情況。

圖3. 所提出的從油滴中分離雙重乳液的方法示意圖

圖4. 在分離芯片中成功實(shí)現(xiàn)了雙重乳液與油滴的分離

最后，為了從雙重乳液中形成脂質(zhì)體，使用了溶劑萃取法，證實(shí)了所提出的微流控器件制備巨型脂質(zhì)體的能力。

綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種用于脂質(zhì)體制備的新型微流控器件，無需表面處理即可實(shí)現(xiàn)雙重乳液形成、分離和溶劑萃取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將PDMS芯片和玻璃毛細(xì)管組合成混合微流控器件可提供一種簡(jiǎn)便的雙重乳液制備方法，消除了表面處理需求，并可獲得優(yōu)異的結(jié)果。這種方法還提供了多個(gè)額外優(yōu)勢(shì)，包括可重復(fù)使用性、設(shè)計(jì)靈活性和低制造復(fù)雜性，有效解決了與傳統(tǒng)雙重乳液形成方法相關(guān)的關(guān)鍵問題。混合微流控器件的多功能性體現(xiàn)在其能夠形成多樣化雙重乳液的能力上，允許尺寸（范圍從27 µm到1.2 mm）、殼層厚度、隔室數(shù)量和溶劑選擇的變化。研究表明，在形成薄殼雙重乳液的三種模式中，雙滴模式是一致性最魯棒的方式。

此外，研究人員引入了一種使用模塊化芯片的高通量連續(xù)分離方法，該芯片可以與混合微流控器件集成以分離雙重乳液，同時(shí)排除不需要的油滴。最終，利用溶劑萃取工藝將雙重乳液模板轉(zhuǎn)化為巨型脂質(zhì)體。根據(jù)溶劑殘留量的不同，將結(jié)果分為兩種類型，從而確定了它們各自的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。通過提供一種易于實(shí)施和可靠的雙重乳液形成和分離方法，所提出的微流控系統(tǒng)為可重復(fù)和可控地制備脂質(zhì)體和復(fù)雜的脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。