UV固化水凝胶微粒因生物相容性、力学可调性，在药物递送、细胞治疗、3D生物打印中应用广泛。微流控技术可高效生成单分散液滴，但现有固化方案（如离线UV照射）存在团聚、无法在线评估力学性能等问题，且UV参数（剂量、强度）对凝胶化的影响机制尚不明确。

近期，美国东北大学研究团队以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）为模型水凝胶，通过集成化微流控装置（液滴生成+UV交联+力学评估），揭示UV剂量与强度对PEGDA凝胶化程度、微凝胶力学性能及形态的影响，为微流控颗粒制造提供参数优化依据。相关研究以“Subtleties of UV-crosslinking in microfluidic particle fabrication: UV dosage and intensity matter”为题目，发表在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。

本文要点：

1、本研究探讨了微流控颗粒制备中UV交联的微妙影响，强调UV剂量与强度的重要性。

2、以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）为模型水凝胶，通过液滴生成、微凝胶制造与原位力学评估相结合，系统分析了UV交联程度对微球性质的影响。

3、研究发现，PEGDA液滴在流动中由内向外凝胶化，不完全交联时内部形成凝胶颗粒而外部保留液态壳层。通过悬垂滴实验与纳米粒子扩散测量，进一步证实了该分层结构。

4、研究还表明，UV强度（而非总剂量）是调控交联程度的关键因素，且氧抑制可能导致外层未固化。该工作为微流控制备均匀微球提供了重要指导，并揭示了流动中凝胶化过程的复杂性。

图1：实验装置示意图。展示了两种微流控装置设计（a和b），均包含上游液滴生成器（黄色）和用于UV照射的长滞留通道（紫色）。装置（a）含有一系列宽度递减的收缩区（蓝色），用于测量形变；装置（b）则包含交替的收缩与扩张区。图（c）为UV光路设置示意图，UV光通过PDMS芯片照射流动路径，插图为UV强度随位置变化的校准曲线。

图2：流动中通过形变测量PEGDA凝胶化进程。图（a）示例展示了液滴/颗粒形变（D）与剪切应力（μγ）的线性关系，其斜率的倒数即为恢复应力（τ）。图（b）和（c）表明，恢复应力（τ）随UV总剂量（Ω）和参考点强度（I_UV₁₀）的变化与PEGDA浓度密切相关。低浓度（9%, 19%）PEGDA即使在高剂量下τ也保持不变（表现为液滴），而高浓度（29%, 39%）PEGDA在达到特定剂量/强度阈值后τ显著上升（表现为凝胶颗粒）。图（d）进一步揭示，对于39% PEGDA，τ的升高主要取决于UV强度而非总剂量或停留时间。

图3：体相凝胶交联动力学。通过追踪荧光纳米粒子在UV照射下的运动停止时间来测量体相PEGDA溶液的凝胶化时间（tₐ - tᵢ）。图（a）显示凝胶化时间随UV强度增加而缩短，且高浓度PEGDA凝胶化更快。图（b）表明凝胶化时间与（cΩ）近似成反比关系。图（c）将流体实验条件（停留时间tᵣ）叠加于此关系上，发现所有流体条件下的UV暴露都超过体相凝胶化所需，但流体中并未全部实现凝胶化。

图4：毛细管微力学揭示单个液滴的部分凝胶化形态。通过毛细管微力学技术测量批量制备的颗粒的剪切模量（Gₘ）。图（a-e）展示了三种典型形态：（a）均质凝胶颗粒；（b）内部凝胶核心（蓝圈）被部分固化或未固化的外壳（橙圈）包裹；（c-e）凝胶颗粒（蓝箭头）与未固化液体（橙箭头）分离。图（f）汇总了不同UV剂量下测得的Gₘ，并与流体中测得的τ_max和文献中体相凝胶的Gᵦ进行比较。

图5：悬垂滴交联证实未固化水壳的存在。在静止的悬垂滴中加入紫色染料观察交联过程。图（a）对照组表明，颜色变化（紫→浅蓝）仅发生在含光引发剂并发生交联的液滴中。图（b）显示液滴整体图像强度随UV暴露时间增加并达到平台，平台时间（tₚ，见插图）随UV强度增加而缩短。图（c）显示，在低/中UV强度下，交联完成后液滴内部呈浅蓝色（已交联），而外部保留深蓝色外壳（未交联）；高强度UV下则形成均质的浅蓝色颗粒。

图6：流动中操纵未固化液体壳层产生多种结构。展示了在具有收缩区的流体装置中，不同UV条件下液滴/颗粒流出收缩区时的显微镜图像。可分为三种状态：（上排）“未固化”液滴，表现出典型的形变-回弹；（中排）“部分固化”，可见凝胶颗粒附着有未固化水珠或形成不对称结构；（下排）“完全固化”颗粒，表现出不同的弛豫动力学。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.139495

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