PDMS-玻璃毛细管混合微流控器件，用于双重乳液形成和分离
2024-12-07 22:49:52   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

脂质体具有模拟细胞脂质膜的卓越能力，使其成为生物膜研究和自下而上合成生物学中不可或缺的工具。微流控技术为以受控方式制备巨型脂质体提供了一种有前景的工具。然而，作为巨型脂质体的前体，双重乳液（double emulsions）的微流控制备仍存在挑战，从而限制了对这一潜力的充分探索。

据麦姆斯咨询报道，近日，芬兰奥卢大学（University of Oulu）和芬兰国家技术研究中心（VTT）的研究人员组成的团队提出了一种PDMS-玻璃毛细管混合微流控器件，作为一种简便而多功能的双重乳液制备工具。该器件不仅消除了选择性表面处理的需求（这是PDMS制备芯片的常见问题），而且与玻璃毛细管制备芯片相比，它还具有制造简单且可重复使用的优势。这些优势使所提出的微流控器件成为一种多功能工具，可用于形成具有不同尺寸（直径跨越两个数量级）、壳层厚度、隔室数量和溶剂选择的双重乳液。通过以双滴模式操作混合芯片，实现了鲁棒的薄壳双重乳液制备，而无需事先进行亲水/疏水处理。

此外，该研究开发了一种串联分离芯片，作为传统、耗时的基于密度的分离方法的替代方案，可在无需操作员干预的情况下，以连续且快速的方式分离出无油滴污染的纯净双重乳液。该微流控器件的适用性通过利用溶剂萃取法制备巨型脂质体得到了验证。这种用于双重乳液模板的形成和分离的微流控平台具有易于复制、灵活可靠的优点，为高通量微流控制备巨型脂质体和合成细胞铺平了道路，为仿生研究开辟了令人兴奋的途径。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”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

如图1所示，本研究主要包括三个部分：第一，制造用于双重乳液制备的PDMS-玻璃毛细管（混合）微流控器件并展示其多功能性；第二，通过连续分离方法纯化双重乳液样品；第三，利用所提出的平台展示巨型脂质体的制备。

图1 本研究工作示意图

本研究提出的混合微流控器件包括一个PDMS微流控芯片（W/O乳液在此形成）和一个玻璃毛细管（双重乳液在此形成）。如图2a所示，混合芯片分两步组装。第一步是粘合两个相同的PDMS复制品，它们由3D打印模具铸造而成，然后对齐并粘合在一起以形成PDMS芯片。在第二步（图2b）中，将玻璃毛细管无缝插入PDMS芯片的出口通道。通过将具有不同尖端ID的毛细管插入PDMS芯片（图2c），可以制备各种尺寸的双重乳液。组装后的混合微流控器件如图2d所示。使用该器件制备的双重乳液如图2e所示。接着，研究人员探讨了使用这种创新方法制备双重乳液的多功能性和可控性。

图2 PDMS-玻璃毛细管混合器件

本研究的另一项成果是开发了一种片上分离方法，以解决该领域的一个实际问题。为了获得进一步研究所需的双重乳液，需要进行纯化步骤，因为制备过程中可能会产生油滴。为此，提出了一种与混合器件串联的分离芯片。这种分离方法利用流体流动曲线和双重乳液与油滴之间的密度差来净化样品中的油滴污染。所提出的片上分离方法去除了额外的片外处理步骤，从而显著提高了双重乳液通量。它还能实现快速处理、实时监控，甚至适用于双重乳液密度低于连续介质的情况。

图3 所提出的从油滴中分离双重乳液的方法示意图

图4 在分离芯片中成功实现了双重乳液与油滴的分离

最后，为了从双重乳液中形成脂质体，使用了溶剂萃取法，证实了所提出的微流控器件制备巨型脂质体的能力。

图5 利用溶剂萃取法从双重乳液模板中形成巨型脂质体

综上所述，这项研究提出了一种用于脂质体制备的新型微流控器件，无需表面处理即可实现双重乳液形成、分离和溶剂萃取。实验结果表明，将PDMS芯片和玻璃毛细管组合成混合微流控器件可提供一种简便的双重乳液制备方法，消除了表面处理需求，并可获得优异的结果。这种方法还提供了多个额外优势，包括可重复使用性、设计灵活性和低制造复杂性，有效解决了与传统双重乳液形成方法相关的关键问题。混合微流控器件的多功能性体现在其能够形成多样化双重乳液的能力上，允许尺寸（范围从27 µm到1.2 mm）、壳层厚度、隔室数量和溶剂选择的变化。研究表明，在形成薄壳双重乳液的三种模式中，双滴模式是一致性最鲁棒的方式。

此外，研究人员引入了一种使用模块化芯片的高通量连续分离方法，该芯片可以与混合微流控器件集成以分离双重乳液，同时排除不需要的油滴。最终，利用溶剂萃取工艺将双重乳液模板转化为巨型脂质体。根据溶剂残留量的不同，将结果分为两种类型，从而确定了它们各自的潜在应用领域。通过提供一种易于实施和可靠的双重乳液形成和分离方法，所提出的微流控系统为可重复和可控地制备脂质体和复杂的脂质体结构奠定了基础。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00815-0

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