透明质酸溶液在T型结微流体装置中的粘弹性粒子封装

微流控芯片

颗粒和细胞在液滴中的包封在生物医学工程和材料科学中具有高度相关性。然而，到目前为止，该领域的大多数研究都集中在悬浮在牛顿液体中的颗粒或细胞的包封上。我们在这里研究了T型接头微流体装置中的颗粒包封现象，使用磷酸盐缓冲盐水中的非牛顿粘弹性透明质酸溶液作为颗粒的悬浮液。我们首先研究了非牛顿液滴形成机制，发现归一化液滴长度的数据与牛顿液滴长度成比例。然后，我们进行了粘弹性封装实验，利用颗粒在接近封装区域之前在等距结构中自组装的事实，确定了一些实验条件，在这些条件下，单个封装效率大于泊松统计预测的随机极限。

将物体分隔或封装在皮升液滴中是一种广泛应用的过程，包括筛选抗体、酶和蛋白质，以及其他细胞间相互作用分析。液滴中颗粒的分区通常在微流体装置内实现，因为它们允许精确控制产生具有均匀恒定尺寸的液滴所需的实验参数。包封过程受液滴形成背后的相同原理的支配，分散相包含颗粒，这些颗粒在连接处“遇到”连续的不混溶相，以形成液滴。两种流体相遇的接合处可以呈现T形接合、流动聚焦或同心几何形状。实际的封装效率由所谓的泊松极限决定，对于每个液滴封装一个颗粒，泊松极限约为37%，这意味着剩余的液滴要么是空的，要么在同一液滴中包含更多的颗粒。存在这种限制的原因是，接近包封区域的颗粒不会以恒定频率到达，而是以恒定频率产生液滴，液滴由连续和分散液相的体积流量值控制。近年来，将封装效率提高到泊松极限以上的要求引起了人们的极大兴趣。

Edd等人首次引入了一种方法，通过使用粒子有序现象来克服泊松极限，其中粒子在接近封装区域之前在一条或多条流线上等距分布。一般来说，当流动的颗粒等距分布时，接近包封区域的颗粒频率保持不变：作者将该频率与液滴形成频率同步，从而实现了高于泊松极限的单一包封效率。其他几项工作遵循了这一最初的想法，设计了微流体装置，利用惯性粒子有序现象来克服泊松统计极限。

最近，Edd等人最初提出的相同原理被用于使用非牛顿粘弹性液体的颗粒封装框架。在这些工作中，作者利用最近发现的粘弹性粒子有序现象证明了粘弹性粒子的包封比泊松极限大2倍。在一个案例中，作者使用了一种商业T型结玻璃微流体装置和一种水性剪切稀黄原胶悬浮液。在另一个案例中，作者设计了一种具有流动聚焦配置的微流体装置，并采用了透明质酸水溶液，证明了粘弹性包封和共包封比泊松极限大2倍的颗粒。使用非牛顿液体而不是牛顿液体来等间距粒子的一个关键优势是，粘弹性排序仅在单行上实现，从而确定了实现受控封装的预测公式，如前所述。与牛顿流体相比，粘弹性液体中颗粒的包封更难实现，因为流体的弹性会阻碍液滴形成现象或导至流动不稳定。到目前为止，上述两份手稿是唯一一份以颗粒粘弹性包封为特征的手稿，还有几个问题尚未得到解答。例如，迄今为止使用的悬浮液不适合与细胞一起工作，因为细胞需要磷酸盐缓冲盐水（PBS）才能存活。然而，在之前的工作中报告的悬浮液中添加PBS可能会导至其流变性能的变化，特别是剪切稀化幅度的减小，这反过来会导至颗粒有序性的抑制，有利于颗粒串的形成。此外，到目前为止引入的设备仍然受到颗粒聚集体问题的影响，这些问题破坏了颗粒串的连续性。

在这项工作中，我们使用PBS中的透明质酸溶液来研究T型接头微流体装置中颗粒的粘弹性包封。我们选择透明质酸作为粘弹性液体，因为与其他聚合物溶液相比，它具有很高的生物相容性，并且因为它最近已成功用于演示流动聚焦几何形状中的受控颗粒包封。此外，与之前使用的黄原胶相比，透明质酸是一种更稳定的聚合物，黄原胶在溶液中会随着时间的推移迅速降解。与标准和市售的T型接头装置不同，我们的微流体装置添加了几个梯形元件来打破颗粒聚集体，正如最近在另一项工作中所证明的那样。我们首先研究了粘弹性液滴的形成机理，然后研究了粘弹包封。我们确定了一些单粒子包封效率大于泊松极限的最佳实验条件。

微流体器件的设计与制造

实验在方形微流体装置中进行，该装置旨在促进颗粒的封装，其效率高于随机泊松值（图1a，b）。悬浮在聚合物溶液中的颗粒进入微流体装置，然后穿过一系列梯形元件，类似于刘等人最初报道的那些元件。当粒子进入梯形元素时，由于横截面的变化，粒子首先减速，然后在离开时加速：突然的加速促进了粒子之间的分离。Jeyasontharan等人采用了Liu等人提出的原始概念来量化进入微流体装置的聚集体的破碎效率。基于之前的结果，这里的颗粒通过入口1进入通道，在那里它们穿过16个梯形元件，在那里潜在的聚集体可以被分解为单个颗粒。我们在这里没有量化颗粒的分解效率，因为这在我们之前的工作中已经报道过，在梯形结构的末端观察到90%以上的孤立颗粒。正如之前所报道的那样，粒子沿着蜿蜒的通道行进，以促进等距粒子串的形成。连续相通过入口2进入微流体装置（图1a），并在T形接头处与分散相相遇，从而形成含有包封颗粒的液滴（图1a）。我们选择了T型接头几何形状，因为它与生物合成、药物递送和微凝胶制造相关的几个应用有关。此外，我们希望通过添加PBS作为悬浮液来测试透明质酸，用于受控封装应用，因为之前关于T型接头的研究侧重于黄原胶的使用，而另一项关于流动聚焦几何形状的研究则以不含PBS的透明质酸为特征。

使用微铣床在厚度为1.2mm的刚性聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基板上制造微流体装置，使用与先前工作中使用的方法相同的方法。首先，使用2mm宽的尖端将基板研磨至300μm以获得均匀的表面。A 100μm金属尖端用于将通道铣削到PMAA基材上。然后，使用0.5mm宽的尖端铣削直径为1.6mm的入口和出口孔。通道深度保持恒定为100μm，方形微流体装置的宽度等于100μm.在器件制造后，将PMMA基板置于超声波浴中30分钟以去除多余的材料。加压空气用于完全干燥PMMA基板。使用双面胶带将PMMA基板粘合到载玻片上。使用双面胶带将自制适配器连接到微流体装置的两个入口。PMMA在过去已被确定为潜在不稳定液滴产生的来源，因此需要表面改性。然而，在我们的案例中，正如我们之前在流动聚焦几何中控制封装的研究一样，我们观察到稳定的液滴生成。PMMA器件中缺乏不稳定的液滴形成，这与文献中的一些先前工作相呼应。

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