科学网-[转载]「好文分享」四川大学褚良银教授团队：基于相粘度差引发的流体卷绳效应可控制备生物相容性微螺旋-赵慧敏的博文

[转载]「好文分享」四川大学褚良银教授团队：基于相粘度差引发的流体卷绳效应可控制备生物相容性微螺旋

2025-9-8 10:05

阅读：69

https://doi.org/10.1016/j.gce.2025.07.003

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01 文章导读

微螺旋（Microhelices）因其独特的螺旋空间结构可以实现类似微马达的多样化功能，在智能穿戴、生物工程和临床医学等诸多领域引起了广泛关注。目前，研究者们已经开发出了自卷曲法、化学沉积法、机械扭转法和生物模板法等来制备多样化结构和功能的微螺旋。其中，微流控法因其具有可精准操控微流体的独特优势，在制备微螺旋中表现出了优异效果。NaAlg-CaCl₂是目前主流的构建体系，但是原位生成的CaAlg凝胶极易造成微通道堵塞，严重影响了制备精度和效率；同时，CaAlg凝胶因其较低的机械强度在螺旋运动和拉压变形中表现不佳；另外，以ETPTA等油相为基材所制备的微螺旋无法应用于生物医学等重点领域。总之，现有的制备方法往往不能兼顾微螺旋的生物相容性和高机械强度。因此，迫切需要开发一种高效方法以制备出结构可控且具有高机械强度的生物相容性微螺旋。

近期，四川大学褚良银课题组基于相粘度差所引发的流体卷绳效应在二级微流控体系（PEGDA-NaAlg-H₂O）中可控制备了生物相容性PEGDA微螺旋，没有交联反应和相变产生，解决了凝胶在线堵塞微通道的难点问题。同时，PEGDA微螺旋表现出了优异的螺旋形态和抗变形性，负载Fe₃O₄的PEGDA微螺旋在毛细管中也表现出了优异的螺旋运动性能。文章发表在Green Chemical Engineering （GreenChE），题为“Controllable fabrication of biocompatible microhelices based on the liquid rope coiling effect due to the phase viscosity difference”。

02 研究亮点

■ 基于相粘度差引发的流体卷绳效应构建了全水相的核鞘式微螺旋流。

■ 采用微螺旋流作为模板制备了结构可控的生物相容性PEGDA微螺旋。

■ 多功能化的PEGDA微螺旋表现出了优异的机械强度和运动性能。

03 内容概述

该研究工作首先提出了一种同轴式二级微流控装置以构建全水相的微螺旋流，以PEGDA、NaAlg和H₂O分别作为三相流体，基于NaAlg和H₂O之间的高相粘度差引发的流体卷绳效应而构建出了PEGDA-NaAlg核鞘式微螺旋流（图1a），通过在线施加紫外光对芯流进行固化即可制备出PEGDA微螺旋（图1b）。NaAlg鞘层可以作为缓冲层减小壁面的摩擦阻力，极大地解决了凝胶在线堵塞微通道的难点问题。通过EtOH和H₂O的清洗即可得到PEGDA微螺旋。通过改变内相流量（Q_i）、照射时间（t_i）、外相流量（Q_o）和接收管内径（D_o）调控了微螺旋的直径（D）、长度（L）、螺距（P）和振幅（A）（图1c），该策略表现出了极高的简便性和可控性。

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图1. 微螺旋的制备过程及其结构调控的示意图。（a）在二级微流控体系中基于相粘度差引发了流体卷绳效应，无需交联反应即可生成微螺旋流的的示意图。（b）通过紫外引发芯流固化以制备PEGDA微螺旋。（c）通过改变装置尺寸和操作工况来可控地调节微螺旋的微观结构。

基于上述策略制备的PEGDA微螺旋表现出了优异的螺旋空间结构（图2a和2c），同时负载Fe₃O₄ 粒子（20 nm）即可制备出磁性PEGDA微螺旋（图2b和2d），其分散均匀Fe₃O₄粒子为可控的螺旋运动奠定了基础。

图2. 空白状态（a，c）和负载 Fe₃O₄ 粒子的 PEGDA 微螺旋（b，d）的光学图像（a，b）和扫描电子图像（c，d）。

通过上述所提出的策略，所制备的微螺旋的结构参数，即螺距（P）、直径（D）、振幅（A）和长度（L），可以通过调整装置尺寸和操作工况来精确调控（图1c）。通过调控实验表明了各个结构参数具有良好的线性控制关系，同时给出了定量关系式，也通过热力图进一步地表明了操作工况对结构参数的直观影响（图3）。

图3. 微螺旋尺寸参数的可控调节。（a）流量对螺距的影响。（b）两相流量对螺距影响的热力图。（c）流量对直径的影响。（d）中间相流量对最大内相流量的影响。（e）照射时间对长度的影响。（f）接收管内径对振幅的影响。

微螺旋的机械性能对于其应用效果至关重要。对不同直径的PEGDA微螺旋进行的拉伸测试，结果表明其断裂强度随着直径的增加而增加。与CaAlg微螺旋相比，PEGDA微螺旋在拉伸至相同程度后释放时的恢复速度要快得多（图4b和4c），表明所制备的PEGDA微螺旋的机械性能明显优于传统的CaAlg微螺旋。PEGDA微螺旋的典型压缩和恢复过程如图4e所示，在压缩变形后，由于具有足够的机械强度，PEGDA微螺旋能够迅速恢复。相比之下，CaAlg微螺旋的典型压缩和恢复过程显示其恢复过程要缓慢得多（图4f）。总之，利用所提出的核鞘微螺旋模板来构建的 PEGDA微螺旋表现出了优异的机械性能。

图4. PEGDA 和 CaAlg 微螺旋的机械性能。（a）微螺旋直径对断裂强度的影响。（b）PEGDA（b1-1 至 b1-4）和 CaAlg（b2-1 至 b2-4）微螺旋的拉伸行为。（c）拉伸比率对 PEGDA 和 CaAlg 微螺旋恢复率（30 s）的影响。（d）PEGDA 微螺旋的压缩位移与轴向应力的关系。（e）PEGDA 微螺旋的压缩（e1）和恢复（e2）行为。（f）CaAlg 微螺旋的压缩（f1）和恢复（f2）行为。

通过将3 wt% Fe₃O₄粒子均匀分散于PEGDA预聚液中，成功制备出具有磁响应性的微螺旋。实验表明，磁性微螺旋在三维旋转磁场（B）驱动下可实现程序化运动，其中径向磁场（B_r）控制旋转运动，轴向磁场（B_a）调控平移运动。当磁场频率为200 Hz和400 Hz时，微螺旋前进速度分别达到4.81 mm/s和5.33 mm/s，最高速度可达5.6 mm/s（图5b，5c和5f）。研究发现，介质粘度（如人体血液的5 mPa·s）会显著降低运动性能，而负载34倍于自身重量的PEGDA微球（17.1 mg）仍能保持有效推进。结果表明，该磁性微螺旋在磁场频率-速度响应、介质适应性及载运能力方面表现出色，为生物医学应用提供了重要技术基础。

图5. 磁性微螺旋的运动性能。（a）磁场空间分布的示意图（a1）以及对作用于磁性微螺旋的径向和轴向力的分析（a2）。f_B = 200 Hz（b）、f_B = 400 Hz（c）、在不同粘度的流体中（d）以及在推进不同微球数量时（e）的微螺旋运动的光学显微照片。磁场频率（f）、流体粘度（g）和微球数量（h）对运动表现的影响。

04 总结与展望

本文报道了一种基于相粘度差引发的流体卷绳效应来制备结构可控的生物相容性微螺旋的创新方法。通过设计二级微流控系统成功构建了全水相的核鞘式微螺旋流，并以此为模板通过紫外光固化芯流制备了具有可控结构的PEGDA微螺旋。该方法突破了传统依赖交联反应或相转变法的微螺旋制备策略，有效避免了微通道堵塞的难点问题。通过精确调控装置尺寸和操作工况实现了微螺旋的螺距（170-500 μm）、直径（36-87 μm）、振幅（0.52-1.4 mm）和长度（1.8-5.6 mm）的线性可控调节，建立了定量关系方程。制备的PEGDA微螺旋展现出优异的机械性能，同时通过掺入Fe₃O₄粒子开发的磁性微螺旋在磁场驱动下表现出卓越的运动性能。在未来研究中仍有以下四个重点方面需要进一步开展。首先，可以进一步探索多物理场（如电场/温度场）耦合调控下的微螺旋形变机制，建立更普适的流体力学模型。其次，可以引入温敏/光敏单体开发智能响应型微螺旋，或者整合生物活性分子构建仿生功能界面。此外，该技术为构建微型机器人系统提供了新思路，通过优化磁导航精度和运动效率，有望实现血管内靶向给药、微创手术等生物医学应用。最后，该策略的通用性使其可拓展至柔性电子、微传感器等领域，为功能微器件的规模化制备提供新范式。

05 作者简介

褚良银教授

褚良银，四川大学化学工程学院教授，教育部长江学者特聘教授（2009），国家杰出青年科学基金获得者（2008），英国皇家化学会会士（2014），中国化工学会会士。长期从事传质与分离、微化工、膜材料与膜过程、控释系统、功能材料等领域的研究。

夏有强博士

夏有强，四川大学化学工程学院博士，硕博连读，导师为褚良银教授，参研国自然重大课题和国自然重点项目各1项，发表论文3篇，申请专利2项，研究方向为微流控技术及新型功能材料。

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

期刊简介

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子7.6，位列Q1区，最新CiteScore为15.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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