芬蘭奧盧大學：PDMS玻璃毛細管混合微流控器件，用于雙重乳液形成和分離

脂質體具有模擬細胞脂質膜的優異能力，使其成為生物膜研究和自下而上合成生物學中重要的工具。微流控技術為以受控方式制備巨型脂質體提供了一種有前景的工具。然而，作為巨型脂質體的前體，雙重乳液（double emulsions）的微流控制備仍存在挑戰，從而限制了對這一潛力的充分探索。

近日，芬蘭奧盧大學（University of Oulu）和芬蘭國家技術研究中心（VTT）的研究人員組成的團隊提出了一種PDMS-玻璃毛細管混合微流控器件，作為一種簡便而多功能的雙重乳液制備工具。該器件不僅消除了選擇性表面處理的需求（這是PDMS制備芯片的常見問題），而且與玻璃毛細管制備芯片相比，它還具有制造簡單且可重復使用的優勢。這些優勢使所提出的微流控器件成為一種多功能工具，可用于形成具有不同尺寸（直徑跨越兩個數量級）、殼層厚度、隔室數量和溶劑選擇的雙重乳液。通過以雙滴模式操作混合芯片，實現了魯棒的薄殼雙重乳液制備，而無需事先進行親水/疏水處理。

此外，該研究開發了一種串聯分離芯片，作為傳統、耗時的基于密度的分離方法的替代方案，可在無需操作員干預的情況下，以連續且快速的方式分離出無油滴污染的純凈雙重乳液。該微流控器件的適用性通過利用溶劑萃取法制備巨型脂質體得到了驗證。這種用于雙重乳液模板的形成和分離的微流控平臺具有易于復制、靈活可靠的優點，為高通量微流控制備巨型脂質體和合成細胞鋪平了道路，為仿生研究開辟了令人興奮的途徑。上述研究成果以“Facile and versatile PDMS-glass capillary double emulsion formation device coupled with rapid purification toward microfluidic giant liposome generation"為題發表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊。

如圖1所示，本研究主要包括三個部分：第一，制造用于雙重乳液制備的PDMS-玻璃毛細管（混合）微流控器件并展示其多功能性；第二，通過連續分離方法純化雙重乳液樣品；第三，利用所提出的平臺展示巨型脂質體的制備。

圖1. 本研究工作示意圖

本研究提出的混合微流控器件包括一個PDMS微流控芯片（W/O乳液在此形成）和一個玻璃毛細管（雙重乳液在此形成）。如圖2a所示，混合芯片分兩步組裝。第一步是粘合兩個相同的PDMS復制品，它們由3D打印模具鑄造而成，然后對齊并粘合在一起以形成PDMS芯片。在第二步（圖2b）中，將玻璃毛細管無縫插入PDMS芯片的出口通道。通過將具有不同ID的毛細管插入PDMS芯片（圖2c），可以制備各種尺寸的雙重乳液。組裝后的混合微流控器件如圖2d所示。使用該器件制備的雙重乳液如圖2e所示。接著，研究人員探討了使用這種創新方法制備雙重乳液的多功能性和可控性。

圖2. PDMS-玻璃毛細管混合器件

本研究的另一項成果是開發了一種片上分離方法，以解決該領域的一個實際問題。為了獲得進一步研究所需的雙重乳液，需要進行純化步驟，因為制備過程中可能會產生油滴。為此，提出了一種與混合器件串聯的分離芯片。這種分離方法利用流體流動曲線和雙重乳液與油滴之間的密度差來凈化樣品中的油滴污染。所提出的片上分離方法去除了額外的片外處理步驟，從而顯著提高了雙重乳液通量。它還能實現快速處理、實時監控，甚至適用于雙重乳液密度低于連續介質的情況。

圖3. 所提出的從油滴中分離雙重乳液的方法示意圖

圖4. 在分離芯片中成功實現了雙重乳液與油滴的分離

最后，為了從雙重乳液中形成脂質體，使用了溶劑萃取法，證實了所提出的微流控器件制備巨型脂質體的能力。

綜上所述，這項研究提出了一種用于脂質體制備的新型微流控器件，無需表面處理即可實現雙重乳液形成、分離和溶劑萃取。實驗結果表明，將PDMS芯片和玻璃毛細管組合成混合微流控器件可提供一種簡便的雙重乳液制備方法，消除了表面處理需求，并可獲得優異的結果。這種方法還提供了多個額外優勢，包括可重復使用性、設計靈活性和低制造復雜性，有效解決了與傳統雙重乳液形成方法相關的關鍵問題。混合微流控器件的多功能性體現在其能夠形成多樣化雙重乳液的能力上，允許尺寸（范圍從27 µm到1.2 mm）、殼層厚度、隔室數量和溶劑選擇的變化。研究表明，在形成薄殼雙重乳液的三種模式中，雙滴模式是一致性最魯棒的方式。

此外，研究人員引入了一種使用模塊化芯片的高通量連續分離方法，該芯片可以與混合微流控器件集成以分離雙重乳液，同時排除不需要的油滴。最終，利用溶劑萃取工藝將雙重乳液模板轉化為巨型脂質體。根據溶劑殘留量的不同，將結果分為兩種類型，從而確定了它們各自的潛在應用領域。通過提供一種易于實施和可靠的雙重乳液形成和分離方法，所提出的微流控系統為可重復和可控地制備脂質體和復雜的脂質體結構奠定了基礎。