近日，基于声磁控制及微流控技术的水凝胶微粒生成方法研究工作在《Chemical Engineering Science》上发表，题目为“Microfluidics-assisted synthesis of hydrogel microparticles with acoustic-magnetic control”。博士生杨紫薇和金少搏老师（郑州轻工业大学）为共同第一作者，韦学勇教授和张传禹助理教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划，陕西省微纳传感与测试技术创新团队计划和国家自然科学基金的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2023.119082

研究背景

由于优异的多孔结构和良好的生物相容性，水凝胶微颗粒或微球已用于生物医学工程应用，包括蛋白质嵌入，药物释放，细胞培养和荧光示踪剂。传统的制备方法主要包括乳液技术，光刻，电流体动力学方法，机械碎裂方法等。 这些方法可以满足水凝胶微颗粒或微球的批量生产需求，但需要改进凝胶微球或颗粒粒径的均匀性控制。对于生物医学应用，水凝胶微球和微颗粒的粒度是重要的。因此，需要具有良好可控性的水凝胶微球和微颗粒的方便、高效的制备方法。

近年来，液滴微流体技术已成熟地应用于液滴生成。依赖于具有不同流道结构的微流控芯片的液滴生成方法已被用于制备微颗粒和微球。与传统的微球制备方法相比，微流控芯片的优点包括制备工艺简单、可控性好、微球单分散性好等。同时，可以将多种技术集成到一个微流控芯片中，以制备各种材料的固体微球和中空微球。水凝胶微球和颗粒的制备通常包括液滴生成和液滴交联两个过程。水凝胶微球和颗粒的最终形状和尺寸可以通过控制液滴产生的过程来控制。

在水凝胶微球的合成中，需要将两种或两种以上的试剂混合以生成交联反应或化学反应。 为了引发交联反应，在分散相和连续相中加入交联试剂是常用的方法。但不可避免地会引起分散相与连续相的反应而产生固体胶体，从而造成流道的堵塞和污染。不仅如此，层流内交联试剂的扩散速度限制了液滴固化速率。近二十年来，声表面波由于其高效的流体结构耦合和良好的生物相容性，在控制微粒和流体方面显示出很大的优势。更重要的是，已经证明了表面声波对液滴形成过程的有效调节。一般应用两种类型的基于SAW的液滴产生方法，其中声辐射力分别用作主动剪切力和辅助调节力。对于前者，将精密的SAW器件与复杂的微通道结构相结合是很复杂的。对于后者，在流体与流体界面附近施加由一个FIDT诱导的声辐射力是一种常见的想法，但它只能减小液滴的尺寸，并且不能在较宽范围内调谐液滴尺寸。因此，表面声波的引入将具有使水凝胶微球的形成更可控的巨大潜力。

研究内容

基于以上需求，陕西省微纳传感与测试技术创新团队开发了一种结合声场和磁场共同控制液滴生成技术和多相流技术，提出了一种新型的磁性荧光聚丙烯酰胺水凝胶微球和海藻酸钙水凝胶微球的制备方法。两个叉指式换能器位于两个不同的位置，分别调节界面变形和上游压力。将表面声波(SAWs)引入通道，不仅可以直接影响液滴(FIDT1)形成过程中相的界面稳定性，产生较小的液滴，还可以瞬间控制上下游侧(FIDT2)之间的压降和吞吐量，通过调整两个叉指换能器的输入参数，聚焦表面声波可以灵活地诱导不同尺寸的液滴的产生，实现更大的液滴尺寸调整范围。

与以前的声场辅助生成相比，无论是通过被动还是主动方式，这里的设计都可以很容易地根据原始状态产生更大或更小的液滴。同时，为了避免流道的堵塞和污染，提高交联效率，采用磁场控制将含有交联试剂的微滴穿过连续相进入磁力诱导的层流，制备的磁滴迅速交联成水凝胶微粒和微球。这种基于声磁微流体的方法已成功应用于制备磁性荧光聚丙烯酰胺水凝胶微球和海藻酸钙水凝胶微颗粒。