聚丙烯酰胺（PAAm）微凝胶作为机械生物学中的模型软材料，可用于细胞力学传感、肿瘤转移研究、3D细胞培养支架等，其尺寸均一性和弹性可控性直接影响应用可靠性。液滴微流控技术虽能高效制备单分散微凝胶，但微反应器对化学/物理条件高度敏感，导致其尺寸与弹性的解耦调控难度大。

该研究聚焦液滴微流控技术制备细胞模拟PAAm微凝胶，通过固定总流速（20μL/min）、系统调控PAAm与油相流速比（0.08-0.38），发现即使预凝胶成分和液滴尺寸（变异< 1μm）一致，流速比仍通过调控催化剂TEMED的油-水界面传输，显著影响微凝胶的聚合效率（产率0.2%-50%）、溶胀率（32%-112%）和杨氏模量（0.7-1.8kPa）。该发现提出了无需改变预凝胶成分、仅通过流速微调微凝胶弹性的新策略，为机械生物学、组织工程等领域的标准化微凝胶制备提供关键支撑。相关研究以“Fine-tuning cell-mimicking polyacrylamide microgels: Sensitivity to microscale reaction conditions in droplet microfluidics”为题目，发表在期刊《Materials & Design》上。

本文要点：

1、本研究采用流动聚焦微流控芯片，在固定总流量下调节聚丙烯酰胺（PAAm）预凝胶与油相的流速比，成功制备出尺寸高度均一（直径差异小于1 μm）的仿细胞微凝胶液滴。

2、研究发现，即使预凝胶液滴的化学成分完全相同，流速比的变化仍会显著影响催化剂从油相到水相的界面传输过程，进而调控聚合反应效率与凝胶网络结构。

3、通过调节流速比，可在不改变预凝胶配方的条件下，使微凝胶的杨氏模量在0.7至1.8 kPa范围内连续可调，实现了弹性与尺寸的独立调控。

4、该工作揭示了微流控液滴反应器对界面传质过程的高度敏感性，指出微凝胶的力学性能受流动条件驱动的催化剂局部浓度梯度影响显著。

5、该研究为高通量制备物理特性精确可调的PAAm微凝胶珠铺平了道路，这对于开发新型生物材料至关重要，有望推动其在机械生物学、诊断标准化、组织工程及药物递送领域的应用发展。

本研究中无需改变预凝胶成分，即可调控PAAm微凝胶弹性的核心机制是通过流速比（Q_PAAm/Q_Oil）调控催化剂TEMED的油-水界面传输效率。

流速比直接决定油相和液滴的体积比：Q_PAAm/Q_Oil越低，油相体积越大，TEMED向液滴扩散的量越多，过量TEMED会加速自由基引发、缩短聚合物链长且降低交联均匀性，导致微凝胶网络疏松不均，弹性降低；反之，流速比升高，油相体积减小，TEMED扩散量适宜，单体转化效率提升，形成更致密均匀的交联网络，弹性提升，最终实现弹性微调。

本研究制备的PAAm微凝胶，在机械生物学研究中具备哪些关键优势？

1、高尺寸均一性：滴落机制下（Q_PAAm/Q_Oil=0.08-0.29）液滴直径变异<1μm，微凝胶CV<1.5%，能避免尺寸差异干扰细胞-材料相互作用实验，满足机械传感器、细胞模拟模型的标准化需求。

2、解耦弹性与尺寸且弹性精准可调：无需改变预凝胶成分，仅通过调控流速比即可实现杨氏模量0.7-1.8kPa微调，适配神经细胞等低刚度细胞的生理环境，同时保持尺寸稳定（变异<1.2μm），解决传统方法中弹性与尺寸耦合的难题。

3、性能可重复性强：依托压力驱动微流控系统（无脉动流+闭环反馈），精准控制催化剂TEMED的界面传输，确保不同批次微凝胶的聚合效率、弹性和溶胀率一致性，提升实验数据可靠性。

4、生物相容性与生理适配性：PAAm材料本身无细胞毒性，微凝胶尺寸（15-16.6μm）、弹性范围匹配细胞力学研究场景，可模拟循环肿瘤细胞、干细胞等的物理特性，用于体内外应力测量、细胞迁移等实验。

5、高通量与便捷制备：滴落机制下液滴产生频率达54kHz，单预凝胶配方可实现多弹性梯度制备，无需反复调配试剂，减少移液误差，适合规模化机械生物学筛选实验。

6、功能多样性：可作为机械校准标准、3D支架颗粒（构建动态细胞培养环境）或细胞尺度应力传感器，适配细胞分化、肿瘤转移、组织形态发生等多类机械生物学研究方向。

图1. 聚丙烯酰胺预凝胶液滴制备优化

图2. Q_PAAm/Q_Oil比值对预凝胶液滴制备的影响。固定总流速Q_Total=20 μL/min时，液滴直径和产生频率随Q_PAAm/Q_Oil比值的变化关系。

图3. Q_PAAm/Q_Oil比值对预凝胶液滴聚合及微珠物理性能的影响。固定总流速Q_Total=20 μL/min、改变Q_PAAm/Q_Oil比值时，液滴内聚合效率及微凝胶微珠物理性能的分析结果。

图4. QPAAm/QOil比值对PAAm微凝胶微珠力学性能的影响。通过实时变形细胞术（RT-DC）分析微凝胶微珠的力学性能，微珠由固定Q_Total=20 μL/min、改变Q_PAAm/Q_Oil比值制备的预凝胶液滴聚合得到。

图5. 流动驱动的催化剂向液滴内传输及其对微珠溶胀的影响。固定总流速Q_Total=20 μL/min、改变Q_PAAm/Q_Oil比值时，液滴内TEMED浓度（C_T,droplet）的变化及其对微凝胶微珠溶胀的影响。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2026.115450

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