研究背景

微凝胶因其高含水量、优异的生物相容性和可调的物理化学性质，在组织工程、再生医学及药物递送领域展现出显著优势。传统的液滴微流控技术虽能生产单分散微凝胶，但大多基于油包水（W/O）体系，制备后需通过繁琐的洗涤步骤去除油相和表面活性剂，这往往会损害封装细胞的活性。

为了解决上述问题，双水相系统（ATPS）作为一种“水包水”策略受到关注，它完全无需油相，能提供更接近生理微环境的条件。然而，ATPS 面临两大核心挑战：

1、稳定性难题：由于水-水界面张力极低，液滴形成不稳定，通常需要复杂的外部阀门控制装置，这增加了操作难度并限制了规模化生产。

2、材料局限性：现有 ATPS 技术高度依赖海藻酸盐（Alg），但其固有的刚性会限制细胞的粘附、铺展与增殖。

因此，临床转化急需一种无需辅助控制、生物相容性更高且具备材料通用性的微凝胶制备新方法，以实现对微米级结构和形貌的精准定制。

导读：

近期，广州医科大学药学院唐国胜教授团队开发了一种全水相微流控技术，用于制造具有高度一致性的单分散微凝胶。该方法通过使用双水相系统 (ATPS)，彻底摒弃了传统工艺中对有机油类和表面活性剂的依赖，从而显著提升了材料的生物相容性。研究人员通过精准调节流体参数与光固化位置，实现了对微凝胶尺寸、孔隙率及几何形状（如球形或纤维状）的灵活定制。

这种平台展现了极强的材料适配性，能够处理包括GelMA和透明质酸在内的多种生物聚合物。实验证明，载有壳寡糖的多孔微凝胶能有效延长药物在体内的停留时间，并成功用于霍乱弧菌感染的预防与治疗。这一创新方案为组织工程、精准药物递送及再生医学领域提供了更安全、高效且可扩展的制造策略。相关研究以“Scalable and oil-free fabrication of monodisperse microgels via all-aqueous microfluidics”为题目，发表于期刊《Cell Reports Physical Science》。

本文要点：

1. 技术创新：全水相微流体系统 (ATPS)

• 无油无表面活性剂：开发了一种基于水-水（W/W）型双水相系统（ATPS）的一步法策略，利用其极低的界面张力，在无需添加油相或表面活性剂的情况下实现微凝胶的规模化生产。

• 无需复杂控制：与以往依赖外部阀门控制或振荡辅助的全水相系统不同，该方法通过精确调节相流速、前体组成和同轴喷嘴配置，即可稳定形成液滴，简化了设备设计并提高了操作稳定性。

2. 形态与尺寸的高度可调性

• 形貌定制：通过空间调节紫外（UV）固化的位置，可以实现形貌的灵活控制——在上游固化可产生纤维状微凝胶，在下游固化则产生球形微凝胶。

• 复杂结构：通过引入致孔剂（如PEO）可制备多孔微凝胶，利用多通道喷嘴则能制备具有物理分隔性质的Janus微凝胶。

• 精确控径：通过调节流速比、凝胶浓度和喷嘴直径，微凝胶的直径可在 77 至 710 μm之间精确控制，且具有极低的组内偏差（CV < 10%）。

3. 广泛的材料兼容性与生物相容性

• 材料普适性：该平台证明了对多种生物材料的兼容性，包括 GelMA、HAMA、丝素蛋白（SS）和 F127-DA。

• 卓越的细胞相容性：由于不含有机溶剂，该过程确保了极高的细胞存活率（>99.8%）。实验表明，封装在 GelMA 微凝胶中的 HUVEC 细胞表现出比传统海藻酸钠（Na-Alg）微凝胶更好的细胞铺展和骨架发育能力。

4. 生物医学应用：霍乱预防与治疗

• 载药应用：研究者制备了负载壳寡糖（COS）的多孔球形 GelMA 微凝胶（CPGM）。

• 长效性能：相比于海藻酸盐载体，GelMA 微凝胶展现出更强的耐酸性，能有效保护药物通过胃部并在肠道内显著延长留存时间（达48小时）。

• 疗效验证：动物实验证明，CPGM 能显著降低小鼠肠道内的霍乱弧菌（ cholerae）定植量，抑制毒力基因表达，并减轻肠道炎症及组织损伤。

总结：该研究克服了传统油包水（W/O）系统需繁琐洗涤以及传统全水相系统依赖阀门控制的局限，为组织工程、细胞递送及精准医疗提供了一种高效、通用且生物友好的微加工工具。

图1. ATPS 液滴微流控策略的开发及其在霍乱治疗和预防中的应用。(A) ATPS 相图以及利用基于 ATPS 的微流控策略制备微凝胶的示意图。(B) 通过调节微流控通道内紫外线（UV）固化的位置，基于 ATPS 的微流控平台能够实现对微凝胶形貌（BI，纤维状；BII，球形）和结构的精确时空控制。(C 和 D) 负载壳寡糖（COS）的多孔球形 GelMA 微凝胶的制备示意图 (C) 及其在霍乱治疗和预防中的应用 (D)。

图2. ATPS 液滴微流控系统。(A) 用于制备 GelMA 微凝胶的 ATPS 液滴微流控系统示意图。(B–D) 与示意图相对应的微通道内 GelMA 微凝胶形成的实时荧光图像。比例尺：200 μm。(E 和 F) 纤维状微凝胶 (E) 和球形微凝胶 (F) 的选择性制备。比例尺：500 μm。(F) 通过调节微通道内的不同固化位置制备而成。比例尺：200 μm。(G–N) 具有宽粒径范围（从 130 到 400 μm）且低多分散性的球形 GelMA 微凝胶 (G–J)。比例尺：200 μm。(K–N) 中的微凝胶可通过 ATPS 液滴微流控策略生产。连续相（右旋糖酐）的流速分别为 10、20、30 和 50 μL/min，而分散相（GelMA）的流速始终为 1 μL/min。数据以落在每个直径范围内的微凝胶百分比表示。

图3. ATPS 液滴微流控策略实现微凝胶形貌的精确定制。(A–F) 通过基于 ATPS 的微流控策略生产的均质型 (A 和 B)、多孔型 (C 和 D) 以及 Janus 型 (E 和 F) 球形微凝胶的显微镜和扫描电镜（SEM）图像。均质微球使用纯 GelMA 溶液作为分散相获得，而多孔微球使用 GelMA/PEO 混合溶液生产，其中 PEO 作为牺牲组分。Janus 多孔微球通过引入不同颜色的荧光染料进一步区分。比例尺：(A)、(C)、(E) 为 200 μm，(B)、(D)、(F) 为 30 μm。(G–R) 展示通过调节各种参数实现微纤维直径可调性的代表性图像：连续相（右旋糖酐）流速分别为 1,000、400、80 和 50 μL/min (G–J)；分散相（GelMA）流速分别为 3、5、7 和 9 μL/min (K–N)；以及分散相 GelMA 浓度分别为 5、10、15 和 20 wt% (O–R)。比例尺：200 μm。(S–U) 相应微纤维直径的定量分析。显著性通过单因素方差分析（one-way ANOVA）确定，并以 p 值表示。****p < 0.0001。数据以平均值 ± 标准差（SD）表示。

图4. 基于 ATPS 的微流控策略具有广泛的材料适应性。(A) ATPS 制备策略的广泛材料适应性。(B–E) 由右旋糖酐与 GelMA (B)、HAMA (C)、SS (D) 以及 F127-DA (E) 组成的 ATPS 相图。双节线（binodal curve）被划定为单相区和两相区之间的临界边界。两相区中的初始点根据系线（tie line）分离成两个热力学平衡的水相：富含右旋糖酐相和另一相。(F–U) 由相应的 ATPS 组合制备的微纤维 (F–I) 和微球 (N–Q) 及其尺寸分布 (J–M 和 R–U)。比例尺：(F–I) 为 500 μm，(N–Q) 为 100 μm。数据以落在每个直径范围内的微凝胶百分比表示。

图5. 通过 ATPS 液滴微流控策略制备的微凝胶的生物相容性。(A–C) 通过 CCK-8 实验评估对照组（A549 细胞、HeLa 细胞和 HUVEC 细胞）在培养 1、4 和 7 天后的细胞增殖定量分析。(D–F) 通过 CCK-8 实验评估 PGM 组（A549 细胞、HeLa 细胞和 HUVEC 细胞）在培养 1、4 和 7 天后的细胞增殖定量分析。比例尺：100 μm。(G–L) 不同细胞系与 GelMA 微球共培养 1、4 和 7 天后的活/死染色图像 (G–I) 及其相应的细胞活力定量分析 (J–L)。(M 和 N) 通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察在 GelMA (M) 和海藻酸钠 (Na-Alg) (N) 微球上培养 1、4 和 7 天后的 HUVEC 细胞的纽带蛋白（Vinculin）免疫荧光染色。比例尺为 50 μm，框选区域为 15 μm。显著性通过双因素方差分析（two-way ANOVA）确定，并以 p 值表示。n.s.，p > 0.05。数据以平均值 ± 标准差（SD）表示。

图6. 负载壳寡糖（COS）的 GelMA 微球用于控制霍乱弧菌定植。(A) 霍乱弧菌定植感染模型示意图。(B) 负载 COS 的 GelMA 微球在模拟胃液（SGF）和模拟肠液（SIF）中的溶解情况。比例尺：200 μm。(C) 通过紫外分光光度计检测 COS 在 SGF 和 SIF 中的释放情况。(D) 评估在细菌口服挑战时给予 PGM 和 CPGM 的成年小鼠，在感染 3 天后肠道内霍乱弧菌的定植能力（n = 7）。(E) 感染 24 小时后，给予 0.5% PGM 或 CPGM 的成年小鼠小肠中霍乱弧菌毒力基因（tcpP、toxT、ctxA 和 tcpA）的 RT-qPCR 表达水平（n = 3）。(F) 通过活体成像系统（IVIS）检测 CPGM 和 CPAM（负载 COS 的多孔海藻酸盐微球）在小鼠体内的滞留时间。比例尺为 500 μm，框选区域为 100 μm。显著性通过双侧曼-惠特尼 U 检验（Mann-Whitney U test）或双尾非配对 Student's t 检验确定，并以 p 值表示。*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001。数据以平均值 ± 标准差（SD）表示。

图7. CPGM 减轻霍乱相关的肠道炎症。(A–C) 对照组、PGM 组和 CPGM 组小肠的免疫荧光双染色，显示了肿瘤坏死因子-α（TNF-α，绿色）、白细胞介素-1β（IL-1β，红色）和细胞核（蓝色）。比例尺：100 μm。(D–F) 给予 0.5% PGM 或 CPGM 的成年小鼠小肠中霍乱弧菌的 H&E 染色。所有分析均在感染后 3 天进行。比例尺为 500 μm，框选区域为 100 μm。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2026.103253

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