集成微型涡轮的微流控液滴生成系统，实现微凝胶的可扩展生产-北京永康乐业科技发展有限公司

导读：

微凝胶作为颗粒状生物材料的关键组分，在再生医学和组织工程中具有广泛应用，但其大规模生产仍面临多分散性高和产量不足的挑战。近期，有研究人员开发了一种集成微型涡轮的微滴生成系统，通过精确调控多孔玻璃头附近的剪切应力，显著提升微凝胶生产的均一性与规模化能力。相关研究以“Integrating Miniaturized Turbines into Microfluidic Droplet Generating Systems for Scalable Microgel Production”为题目，发表在期刊《ACS Applied Bio Materials》上。该技术将微凝胶产量提升至25 mL/h（较传统微流控系统提高50倍），并通过成纤维细胞的活力和扩散测定以及癌症球体模型系统中的侵袭测定，验证了其在组织工程与再生医学中的应用潜力。

本文要点：

1、本研究提出一种新型装置“Turbinator”，可集成于商用Shirasu多孔玻璃（SPG）微滴生成系统，通过微型涡轮精确调控多孔玻璃头附近的局部剪切应力，从而降低液滴多分散性，并实现煤油油浴中微凝胶的连续高效生产。

2、通过有限元模型分析了剪切应力分布，验证了不同操作参数（涡轮转速、SPG孔径、流速）对微滴尺寸的影响，结果表明Turbinator可将多分散指数控制在合理范围（如50 μm孔径下为0.084），产量达25 mL/h，较传统微流控系统提升50倍以上。

3、生物实验证实，该系统制备的聚乙二醇-降冰片烯（PEG-NB）微凝胶可支持成纤维细胞的高存活率与铺展，并调控癌球模型的侵袭行为。

4、该技术兼顾生产规模与液滴均一性，为工业级生物材料制备提供了可行方案。

Turbinator系统中涡轮转速与SPG孔径如何协同影响微凝胶的尺寸分布与多分散性？

实验表明，微滴尺寸受涡轮转速、SPG孔径和预聚物流速的共同影响。例如，在固定流速（25 mL/h）和SPG孔径（50 μm）下，提高涡轮转速（如从50 rpm增至150 rpm）会因剪切应力增大导致微滴尺寸增大且多分散性升高（PDI从0.084增至0.234）。而SPG孔径的增大（如从10 μm增至50 μm）虽可提升通量，但若流速匹配不当，可能引发流体不稳定，导致多分散性增加（如30 μm孔径下PDI升至0.15）。

技术启示——关键优化路径：

参数平衡：平衡剪切应力与流体稳定性，低转速（50 rpm）配合中等孔径（30–50 μm）和流速（5–15 mL/h）可实现高产（25 mL/h）与低多分散性（PDI <0.1）。
动态调控：需实时监测流体状态以避免湍流或孔堵塞，例如通过压力反馈调节转速或流速。

Turbinator系统在大规模工业应用中可能面临哪些技术挑战？如何解决？

1、长期稳定性：本研究未验证连续运行（如数小时至数天）时涡轮机械磨损或SPG膜堵塞对微凝胶质量的影响。工业场景需强化材料耐用性（如陶瓷涡轮）或开发自清洁膜技术。

2、残留物去除：尽管荧光光谱显示洗涤后煤油/PGPR残留<0.2%，但大规模生产中多次离心可能效率低下。可集成在线过滤或两相分离装置（如微通道分馏器）提升洗涤效率。

3、细胞封装限制：SPG膜的高剪切环境可能导致活细胞损伤。未来可探索低剪切改性设计（如层流辅助）或生物相容性更高的油相替代品（如植物基可持续煤油）。

技术方向——工业级解决方案：

系统设计：结合自动化控制（如AI动态调节参数）与模块化组件，实现可扩展、低维护的生产线。
生物适配性：优化油相配方与剪切应力分布，支持直接细胞封装，拓展至生物打印等高端应用场景。

图1：不同技术生产水凝胶微粒的方法及其应用。(A)微流控流动聚焦液滴生成系统：低多分散性但低通量。(B)涡旋乳化过程：高通量但高多分散性。(C)标准多孔玻璃挤出系统：在间歇式反应器中高通量生产液滴。(D-J)提出的Turbinator系统：以连续生产方式高通量生产水凝胶微粒，具有合理的多分散性。(E)使用上述各种策略生产的水/油微滴的多分散性比较。(F)微流控装置生产的PEG-降冰片烯微滴。(G)涡旋乳化生产的微滴。(H)标准SPG乳化生产的微滴。(I)使用Turbinator生产的微滴。(J)Turbinator系统示意图，展示了其在SPG系统上的集成方式。

图2：8臂Turbinator的有限元模拟。(A,B)10rpm下，搅拌器旋转时煤油流动的速度图，显示流体在SPG滤膜周围的流动较为一致。(C)搅拌器在A和B位置之间移动时，流体速度的最大值和最小值。(D)不同搅拌器速度下的估计壁面剪切应力值。

图3：Turbinator系统生产的PEG-NB微滴的尺寸分布。(A)在保持凝胶注入速率（25mL/h）和孔径（50μm）不变的情况下，微滴尺寸分布随搅拌器转速的变化。(B)在保持凝胶注入速率（5mL/h）和搅拌器转速（50rpm）不变的情况下，微滴尺寸分布随SPG滤膜孔径的变化。(C)在保持孔径（50μm）和搅拌器转速（50rpm）不变的情况下，微滴尺寸分布随凝胶注入速率的变化。