导读：
液滴微流控可在厘米级装置上集成多种生化过程，构建微型实验室。但定型微通道限制了液滴应用的灵活性。近期，山东第一医科大学李庆华教授、魏春阳博士联合山东中医药大学吕伟等人通过向PDMS微通道可控注入有机溶剂，诱导其溶胀变形实现微通道重塑，并基于此开发了高效液滴混合器、高通量液滴PCR系统及多体积液滴3D培养系统，为自适应微流控设计提供了新策略。相关研究以“PDMS-Swelling Induced Microchannel Reshaping and Its Applications in Droplet Microfluidics”为题发表于期刊《ACS Materials Letters》。
本文要点：
1、提出了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶胀的微流控通道重塑方法，通过向微通道中可控注入有机溶剂，诱导PDMS基质渗透及通道顶部沉降，实现微通道重塑。
2、研究首先阐述了PDMS的特性及溶胀原理，定量研究了影响PDMS溶胀的因素，基于聚合物的熵和弹性平衡理论，建立了相关模型来描述PDMS溶胀过程及微通道变形。
3、随后介绍了该重塑策略的三个典型应用：1）构建混沌对流增强的液滴微混合器，用于产生非均相流，混合效率较传统设计提高72%。2）构建液滴倍增系统以实现高通量液滴数字聚合酶链反应（PCR）。3）构建用于液滴内3D培养的多体积液滴生成系统。
4、这种可重构通道修饰策略为研究人员在开发自适应微流体架构方面提供了前所未有的灵活性，有效拓宽了液滴微流体在生物医学研究中的应用范围。
有机溶剂诱导PDMS变形的原理基于PDMS的结构特性与溶剂-聚合物相互作用，具体如下：
PDMS（聚二甲基硅氧烷）在与固化剂混合并经加热（如80°C加热2小时）后，会通过交联反应形成具有三维网络结构的固态弹性体，其硅氧烷键形成柔性聚合物链，具有高粘弹性。当有机溶剂（如十六烷）接触PDMS时，会渗透到其多孔网络中，这一过程可看作溶剂与PDMS聚合物链的混合及聚合物链的形变叠加。
有机溶剂的渗透使PDMS内部产生溶胀效应，导致聚合物网络扩张。这种扩张持续到“溶剂化作用”与PDMS的“熵弹性”达到平衡——即溶剂渗透的驱动力与聚合物链收缩的弹性力抵消，此时PDMS变形稳定，表现为微通道顶部沉降等形态重塑，最终实现微通道结构的可控改变。
图1基于PDMS溶胀的微通道重塑示意图。(a)组分A与组分B交联后，形成具有三维网络结构的PDMS弹性体。(b)微流控芯片由PDMS复制品和玻璃基底构成；当PDMS网络被有机溶剂渗透时，会呈现溶胀状态。(c) PDMS溶胀前后微通道横截面的显微照片。(d) PDMS凸起高度（Δh）随时间变化的实测曲线。(e)溶胀状态下PDMS的弹性模量随时间变化的计算曲线。(f)溶胀过程中微通道高度和宽度的时间变化规律。比例尺：25μm。
图2基于PDMS溶胀的微流控通道重塑及典型应用案例。(a)旋转液滴系统及其在微纳米流体混合中的应用；(b)液滴倍增系统及其在高通量液滴数字PCR（ddPCR）中的应用；(c)多体积液滴生成系统及其在液滴内3D细胞培养中的应用。
图3基于旋转液滴的高效流体混合。(a) PDMS溶胀诱导的Janus液滴生成及液滴内流体混合示意图。(b)非均匀流场中液滴旋转的原理示意图。(c)液滴形成、轨迹偏移及旋转的光学图像。比例尺=100μm。(d)为表征流体混合效果，选取21个测点计算混合指数（MI）。(e)液滴内流体混合前后的荧光强度分布；穿过液滴的虚线用于对比液滴旋转前后的混合效果。(f) Janus液滴内流体混合过程的光学图像。比例尺：50μm。
图4基于液滴倍增系统的高通量液滴数字PCR（ddPCR）。(a)共流阶跃乳化（CFSE）原理示意图；共流穿过微台阶时分裂为两个液滴。(b) CFSE双液滴生成的显微图像。(c)不同微流控流体动力学条件下生成的液滴乳液体积分数。(d)所构建微流控装置中液滴体积分数与内相流量的关系（外相流速=2.6μL/min）。(e)不同内相流速下的液滴直径（外相流速=2.6μL/min）。(f)连续生成过程中的液滴直径（内相流速=2.9μL/min，外相流速=2.6μL/min）。(g)阳性与阴性液滴的荧光强度对比；两者荧光强度差异约2.7倍，确保后续ddPCR实验统计分析的准确性。(h)不同稀释度（100、500、2000、5000、10000、40000拷贝/μL）DNA样本的PCR结果。比例尺：100μm。
图5基于多体积液滴生成系统的液滴内3D细胞培养。(a)多体积液滴生成原理示意图；共流穿过微台阶时分裂为双体积液滴群。(b)微流控装置实物照片。(c)生成的液滴群显微图像；右侧为双体积乳液液滴直径随流体流速的变化曲线。(d)酿酒酵母细胞被包封于液滴中；包封细胞数量与液滴体积呈正相关。(e)酿酒酵母细胞的出芽繁殖现象。比例尺：100μm。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.5c00337
