Materials Today最新綜述：微流控光固化制備微型粒子研究現狀及應用進展

1. 研究背景

近年來，微粒子因其獨特形狀、復雜結構以及在個體中實現多功能集成的能力引發了人們的廣泛興趣，其在生物分析診斷、組織工程、防偽、機械工程、結構材料等諸多領域具有廣闊的應用前景。微粒子的材料和形狀決定了其功能和應用，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單元，形狀均一的UO₂微球可用作高溫氣冷堆燃料核心，多條帶組分復合微顆粒可用于編碼領域。因此，研究不同材料不同形狀結構的微粒子制備和應用具有重要意義。

與傳統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，微流控光固化技術為微粒子的制備開辟了高精度、單分散性好、高通量等優勢并存的新途徑。

微流控合成根據成形機理可分為兩類——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理、方法及應用等。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。最新研究結果表明，銳緣微粒子可作為構建塊用于薄膜隱身材料，結構材料，微型機器人系統的搭建，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變得越來越重要，需要全面系統，由淺入深地總結近年來的研究進展，指出目前的局限性，并為該領域的未來發展提出建設性的建議。

2. 內容簡介

本文在對微流控光固化技術的基本要素（即微流控器件、前驅體、掩模和紫外光）進行全面介紹的基礎上，討論了微流控光固化技術的最新研究進展，以及制得微粒子的多樣性。提出了包括自組裝和燒結在內的后處理技術，以潛在地將微粒子實驗室制備與實際應用聯系起來。著重從細胞操控、生物檢測、防偽三個方面分析了微粒子的應用前景。最后，總結了功能微粒子的局限性，并對其未來發展進行了展望，旨在為功能微粒子的微流控可控制備和應用提供幫助。

3. 圖文導讀

3.1 微流控光固化及其基本要素

可光固化的前驅體在微通道內流動，紫外光經過帶有特定形狀透光孔的掩膜投射到微流道中，通道中前驅體受到紫外光曝光的瞬時固化形成微粒子。根據前驅體在微通道中流動的連續性可分為連續流和間歇流微流控光固化。

圖1?| 連續流、間歇流光固化及微粒子制備。(a)?基于連續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對比。

圖2?| 基于微流控光固化技術的微粒子制備研究發展歷程。微流控通道的結構主要分為四種類型：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的2D形狀、非連續2D形狀和灰度編碼形狀。微粒子的形態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。

3.2 微粒子制備及其形態調控

圖3?| 基于紫外光控制的微粒子形態調整。(a)?通過調控紫外光強度分布和曝光時間調節微粒子形態。 (b)?通過紫外曝光時間和掩膜形狀控制來調節微粒子形態。(c)?通過紫外光焦平面位置和掩模形狀控制來調節微粒子形態。

圖4?| 基于微通道結構調整的微粒子形態控制。(a)?鎖定-釋放間歇流光固化制備兩層狀微粒子。(b)?通過調節微通道上層氣室氣壓在微通道中制備高度可調的多層狀微粒子。(c)?利用壓頭調節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?| 基于前驅體成分調配的微粒子形態控制。(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?| 基于多因素調節的微粒子形態控制。(a)?基于微通道結構、前驅體組成和紫外光控制的微粒子成形。(b)?基于(a)加上額外時間控制因素制得的微粒子。(c)?通過在微通道設置錐形縮口控制微粒子的形狀和尺寸。

3.3 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的自組裝。(b)?2D拉伸形狀微粒子組裝結構。(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)?球體結構的逐層組裝工藝。(g)?基于“軌道-鰭”結構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。(a)?低固含量SiO₂?微粒子。(b)?低固含量Al₂O₃微粒子。(c)?密度較大的SiO₂微粒子。(d)?高固含量SiO₂微齒輪。(e)?雙組分磁性微齒輪。

3.4 微粒子應用

圖9?| 水凝膠微粒子在細胞操控中的應用。(a)?2D拉伸形狀的水凝膠微粒子用于細胞培養。(b)?圓盤形和章魚形微粒子用于細胞運載。(c)?多組分微粒子用于細胞粘附。(d)?水凝膠微粒子組裝體用于小鼠成纖維細胞培養。

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

圖11?| 微粒子在防偽中的應用。(a)?二維碼微粒子及其在膠囊藥物防偽中的應用。(b)?微粒子用于藥品和食品標記。(c)?在不同挑戰性環境下使用便攜式解碼器對編碼的微粒子進行成像。

4. 結論與展望

本文綜述了近年來各向異性微粒子的微流控光固化制備及應用現狀。從微流控光固化四個基本要素——微流控器件、前驅體、掩膜和紫外光出發，介紹了新型微粒子制備和后處理技術的最新進展。不斷擴充的形狀和獨特的結構使得微粒子成為各種應用如細胞操控，生物檢測和防偽等的理想載體。盡管微流控光固化技術近年來在不同形態微粒子的可控合成方面取得了諸多鼓舞人心的顯著進展，但仍有很大的改進空間。

（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）的形狀控制需要進一步開發，從而進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現，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設計進一步豐富微粒子的種類。

（2）由于微粒子固化是基于光交聯的，故前驅體的透明度對微粒子成形有重要影響。前驅體中功能添加劑的材料和濃度決定了前驅體透明度，微粒子形狀分辨率和透明度呈正相關。添加劑只要滿足以下要求之一：高透明度，低濃度，與周圍溶液折射率匹配，就可以獲得高透明度的前驅體。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用性能往往與添加劑的濃度呈正相關，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體還有望被進一步開發。

（3）微流控光固化制備的吞吐量是連接科學研究與微粒子實際應用的重要因素。為了提高生產率，應盡可能縮短“停止-聚合-沖洗”循環單元每一步所需的時間。此外，并行生產是成為進一步提高吞吐量的有效策略。

（4）不可否認，大多數微流控光固化制造技術仍停留在實驗室階段，實驗結果與實際應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一步實際應用。現階段裝載細胞的微粒子3D組裝結構依然非常簡單，構建更為精細且復雜的3D組裝結構仍然具有較大挑戰性。

利用微流控光固化技術制備的功能微粒子在生物醫學工程、MEMS、功能材料、傳感器、防偽等諸多領域有著重要的應用價值和廣闊的市場前景。為了進一步實現微粒子對人類帶來的裨益，仍然需要很多研究人員和企業家們的共同努力。

5. 論文信息

Zhou C, Cao Y, Liu C, Guo W. Microparticles by microfluidic lithography. Mater Today?2023.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123001451