液滴微流控技术作为微纳米尺度的“精准实验室”，早已成为单细胞测序、高通量药物筛选、合成生物学等领域的核心工具。但长久以来，传统技术始终存在难以突破的痛点：油包水体系虽能形成稳定液滴，却像给液滴套上了“密封罩”，阻碍了物质交换；而更贴合生物环境的水包水体系，又因界面张力极低，液滴易破裂、难调控。

近日，浙江大学与埃因霍温理工大学等团队合作，在《Lab on a Chip》发表最新研究，提出了一种无油相、无表面活性剂的微流控新方法，成功实现了无膜水包水液滴的可控生成、稳定捕获与动态调控，还首次观察到凝聚层液滴内可逆亚区室的形成，为液-液相分离（LLPS）体系的动态研究打开了全新窗口，相关成果也为合成生物学、软物质研究等领域提供了强大的新工具。该研究以“A microfluidic method for controlled generation and trapping of membraneless water-in-water droplets”为题目，发表于期刊《Lab on a Chip》。

核心痛点：传统微流控的“两难困境”

双水相体系（ATPS）形成的水包水（W/W）液滴，因无油相、无表面活性剂的特性，更贴近生物体内的微环境，能实现水溶性分子的自由扩散，是模拟细胞、研究生物体内无膜细胞器的理想模型。

但这一体系的研究却困难重重：一方面，水包水液滴的界面张力仅为 0.001–0.1 mN/m，远低于油包水体系，液滴极不稳定，往往需要精细的流量控制或外部场力才能维持；另一方面，传统微流控多采用 PDMS 材质芯片，易出现溶剂蒸发、大分子扩散进基底的问题，无法长期稳定观测液滴的动态行为。

而此次研究的核心，就是打造了一个能破解这两大难题的全新微流控平台。

创新设计：死端腔室 + 石英芯片，让液滴“听话又稳定”

研究团队摒弃了传统依赖界面剪切力形成液滴的思路，设计了以死端腔室为核心的微流控芯片，整体由主通道、死端腔室和连接颈三部分构成，液滴的形成不再依靠流速，而是由连接颈的几何结构（长度、宽度）和主通道溶液的暴露时间精准调控。

为了实现长期稳定的实验条件，团队没有采用传统的 PDMS 芯片，而是通过飞秒激光微加工技术在熔融石英上制备芯片。石英材质完全不透气体和液体，既避免了溶剂蒸发导致的浓度变化，也防止了大分子扩散进芯片基底，让液滴的实验条件能稳定维持数天，这是 PDMS 芯片无法实现的。

更关键的是，该平台通过扩散介导的液-液相分离实现水包水液滴的原位生成，全程无需油相、无需表面活性剂，也不需要精细的流量控制，仅通过调控主通道的溶液组成，就能实现腔室内化学环境的动态变化，让液滴的物质交换不再受限制，真正实现了 “开放体系” 的研究。

双重验证：从精准调控到可逆亚区室，平台实力拉满

为了验证平台的有效性和多功能性，研究团队先后以两种经典的液 - 液相分离体系为模型展开实验，层层递进验证了平台的核心优势。

1、PEG - 葡聚糖分离型体系：精准调控，液滴均一性拉满

• 以研究最成熟的聚乙二醇（PEG）- 葡聚糖水相双相体系为模型，团队实现了液滴尺寸和浓度的独立精准调控：通过改变连接颈的几何结构、葡聚糖溶液的暴露时间调控液滴尺寸，通过改变主通道 PEG 溶液浓度调控液滴内葡聚糖浓度。

• 实验结果显示，该平台生成的液滴尺寸变异系数低至 2%，远优于传统水包水微流控方法的 10% 以上，还成功制备出直径小于 10μm 的微型液滴，为人工细胞研究提供了理想模型。

2、PAA/PDMAEMA 缔合型体系：可逆亚区室，模拟生物无膜细胞器

• 这是此次研究的一大亮点。团队将平台应用于聚丙烯酸/聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯（PAA/PDMAEMA）缔合型凝聚层体系，仅通过调控主通道的 KCl 盐溶液浓度，就实现了凝聚层液滴内可逆亚区室的形成与消失。

• 当主通道通0 M KCl 溶液时，液滴内的亚区室会逐渐消失；停止溶液流动后，液滴吸水膨胀，亚区室重新形成；恢复溶液流动，亚区室又会快速出现。这一过程可反复实现，且无需大幅改变实验环境，突破了以往亚区室研究需多组分体系或剧烈环境变化的限制，为模拟生物体内无膜细胞器的动态结构变化提供了绝佳的研究模型。

此外，团队还在芯片中集成了气动阀，通过控制阀门的开闭，实现了不同腔室间液滴的可控通讯，让研究无膜液滴间的信号传递、物质交换成为可能，为探索细胞间相互作用奠定了基础。

平台优势：鲁棒性强，适配多领域研究

相较于传统微流控方法，这款新平台的优势十分显著：

✅ 无油相、无表面活性剂，贴合生物微环境，避免了油相和表面活性剂对生化反应、细胞培养的干扰；

✅ 无需精细流量控制，鲁棒性强，能稳定生成均一液滴，降低实验操作难度；

✅ 石英芯片材质，可长期稳定观测，解决了 PDMS 芯片的蒸发和扩散问题；

✅ 动态调控化学环境，实现液滴的开放体系研究，可解析液-液相分离的动态行为；

✅ 多功能拓展，既可精准调控液滴参数，又能实现可逆亚区室、腔室间通讯，适配多类研究需求。

当然，研究也指出了平台目前的局限性，比如液滴间的物质交换主要依赖扩散，多组分内相的组成调控仍有挑战。但团队表示，这些问题可通过优化芯片几何结构、修饰表面润湿性等方式逐步解决，未来的优化空间巨大。

图1. 传统封闭式油包水包水（W/W/O）微流控液滴体系与本研究开放式水包水（W/W）液滴体系的对比。a 传统 W/W/O 液滴的形成依赖于流动聚焦过程中的剪切力，该体系具有高界面张力（γw/o）；W/W/O 液滴为封闭体系，液滴与周围油相间的分子交换受到限制。b 本研究无油平台的原理示意图：聚合物浓度梯度驱动溶质向死端腔室迁移，无需外力或表面活性剂，通过双水相体系（ATPS）相分离在原位生成 W/W 液滴。该体系能以高稳定性实现液滴尺寸和浓度的可调调控，且不受主通道流速的影响。与组分 1 的接触时间（t1）越长，生成的液滴越大；连接颈的长度越长，液滴则越小；此外，液滴浓度由其与主通道中组分 2 的平衡状态决定。例如，在平衡状态（t3）后通入更低浓度的组分 2，会生成浓度更低、体积更大的液滴。

图2. 死端腔室微流控器件中，通过液-液相分离（LLPS）生成并捕获葡聚糖液滴。a 带死端腔室的微流控芯片设计参数：通道宽度w_c=200 μm、通道高度h_c=400 μm、腔室直径D_chamber=300 μm、腔室高度h_chamber=400 μm；连接颈的尺寸（宽度w_n、长度l_n）可调节，宽度范围为 30~90μm，长度范围为 60~360μm。比例尺：300μm。b 聚乙二醇-葡聚糖双水相体系的典型相图。c 死端腔室中液-液相分离的分步过程：步骤 1，葡聚糖溶液（绿色，经异硫氰酸荧光素标记的葡聚糖标记）向死端腔室的扩散过程可视化，主通道持续通液以维持通道内葡聚糖浓度恒定；步骤 2，注入聚乙二醇溶液（红色，经罗丹明标记的聚乙二醇标记），其向死端腔室扩散后触发相分离。右侧图：通过共聚焦显微镜在 xy、xz、yz 三个平面的切片成像，呈现生成的葡聚糖液滴的三维形态，该腔室的连接颈宽度为w_n=30 μm。比例尺：200μm。d 向微流控芯片中通入 10 wt% 的葡聚糖溶液时，腔室内（l_n=210 μm、w_n=30 μm）葡聚糖相对浓度随接触时间变化的实验数据（蓝点）和数值模型拟合结果（红色虚线：扩散模型；绿色虚线：扩散渗透模型）。I_c 为主通道荧光强度，I_chamber 为腔室荧光强度。e 生成过程中，液滴内外葡聚糖浓度随时间的变化，箭头指示液-液相分离的起始时刻。f 液滴体积与捕获腔室内葡聚糖相对荧光强度的相关性。

图3. 石英基微流控芯片中葡聚糖液滴的浓度与尺寸精准调控。a 向主通道中通入浓度逐级降低的聚乙二醇溶液，实现葡聚糖液滴的浓度和尺寸调控。比例尺：100μm。b 芯片外部聚乙二醇浓度与液滴内部葡聚糖浓度的关系。c 上图：葡聚糖液滴生成前，石英基微流控芯片整体结构的明场图像；下图：腔室内生成葡聚糖液滴后，同一器件的共聚焦荧光拼接扫描图像，液滴尺寸的差异体现了连接颈几何结构和扩散时间的影响。比例尺：1 mm。d 改变通道与腔室间连接颈的几何结构，实现葡聚糖液滴体积的调控：液滴体积随连接颈长度增加而减小（连接颈宽度固定为w_n=50 μm，红色方形，下坐标轴），随连接颈宽度增加而增大（连接颈长度固定为l_n=210 μm，黑色圆形，上坐标轴）；数据的线性拟合结果（实线）表明，两种情况下液滴体积均呈近似线性变化。本实验步骤 1 和步骤 2 分别使用 10 wt% 的葡聚糖溶液和 10 wt% 的聚乙二醇溶液。e 葡聚糖液滴体积随扩散时间的变化规律，步骤 1 通入 10 wt% 的葡聚糖溶液，步骤 2 通入 10 wt% 的聚乙二醇溶液；不同颜色代表不同的连接颈几何结构（所有连接颈的高度h_n=200 μm、宽度w_n=50 μm，蓝色、红色、黄色标记分别对应连接颈长度 160μm、260μm、310μm）。f 采用微型死端腔室（直径 50μm）生成微型葡聚糖液滴。g 低葡聚糖浓度下，结合离心力辅助生成微型葡聚糖液滴，左侧为离心力施加方式的原理示意图；蓝色圆形、方形、三角形分别对应微流控芯片的左、中、右三个区域。h 荧光显微镜下观察离心力辅助生成的微型葡聚糖液滴。f、g、h 的比例尺均为 50μm。

图4. 通过凝聚层相分离实现水包水（W/W）液滴的缔合型生成及可逆区室化。a 聚丙烯酸-聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯体系的相图，该体系中缔合型复合凝聚层的生成条件为 pH=6.5（±0.2），此时体系正负电荷密度比为 1:1（聚丙烯酸分子量 100 kDa，聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯分子量 104 kDa）。b 死端腔室中凝聚层的生成过程：步骤 1，器件内填充以 1.5 M 氯化钾稀释的 0.33 M 聚丙烯酸和 0.33 M 聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯均相溶液；步骤 2，5 分钟时注入 1.2 M 氯化钾溶液以诱导相分离，并将器件竖直放置，促进分离后的凝聚层在死端腔室底部聚并。60 分钟时，单个凝聚层液滴内可观察到多个区室。c 凝聚层可逆区室化过程的时序图像：图 I，主通道通入 1.0 M 氯化钾溶液时，初始生成的含多个区室的凝聚层；图 II，经 2 天平衡后，凝聚层内除一个区室外，其余区室均消失；图 III，停止主通道 1.0 M 氯化钾溶液的通液后，区室重新形成；图 IV，经 148 分钟再次平衡，凝聚层液滴恢复至图 II 的状态；图 V，恢复主通道 1.0 M 氯化钾溶液通液后，5 分钟内凝聚层内快速重新形成多个区室；图 VI，最终凝聚层液滴达到新的准平衡状态，多个区室逐渐消失。图 II 至图 VI 左下角的时间刻度为停止 1.0 M 氯化钾溶液通液后的时长。示意图对应图 II 至图 III、图 IV 至图 V 的转变过程，分别展示了水向凝聚层内的流入和向层外的流出过程。所有图像的比例尺均为 100μm。

图5. 微流控芯片中的液滴间通讯。a 左侧：实现可控液滴间通讯的阀门机制原理示意图，该微流控器件包含三个核心部件：气压控制通道、聚二甲基硅氧烷膜和两个独立的死端腔室（与图 1a 所示腔室结构相似）；右侧：器件实物图，以及经气动阀连通的通道中两个葡聚糖液滴的显微图像（明场 + 荧光），其中一个液滴经异硫氰酸荧光素荧光标记，另一个未标记。b 荧光强度比随时间的变化曲线及数据的线性拟合结果。比例尺：100μm。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D5LC01055A

(本文仅供参考学习及传递微流控研究成果，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除)