一图读懂综述：液滴微流控技术辅助构建凹面微颗粒的研究进展

千姿百态

凹面微颗粒（DMPs）凭借其高比表面积、可调控界面特性和独特的分层分子封装能力，在药物递送、细胞培养和组织工程等领域展现出巨大潜力。模板法和乳液聚合等传统制备方法常受限于工艺复杂、粒径不均和形貌控制精度不足。微流控技术通过微尺度流体动力学和界面工程，为微颗粒尺寸、形态和结构提供了前所未有的精确控制。



近期，北京交通大学胡远渡教授发表综述，系统分析了微流控与相分离、溶剂萃取及离子交联等传统方法的协同机制，揭示了凹陷结构的形成机理与调控规律，并重点介绍了其在药物递送、细胞培养和环境修复等方面的应用。最后，讨论了当前凹陷微颗粒制备面临的挑战，并展望了未来发展前景。相关研究成果以“Advances in the construction of dimpled microparticles assisted by droplet microfluidics”为题目，发表在期刊《Applied Materials Today》上。
本文要点：
1、综述凹陷微颗粒的研究进展。
2、重点介绍结合微流控技术与其他路径（如相分离、溶剂萃取、离子交联、选择性光聚合、部分降解等）制备凹陷微颗粒的方法。
3、深入分析能够精细调控颗粒几何结构（如凹陷数量、深度、位置、对称性等）的关键可调参数及其作用机制。
4、总结凹陷微颗粒在药物递送与释放、细胞培养支架、环境修复、功能材料等不同领域的创新应用。
5、剖析当前凹陷微颗粒研究中面临的关键挑战（如大规模精准制备、溶剂残留、形态稳定性等），并展望潜在的研究机遇与发展前景。
一张图读懂全文：



相较于传统球形结构，凹面微粒具有以下优势：
1、比表面积显著提升
凹陷几何结构大幅增加有效接触面积，增强分子负载容量与界面反应活性，为载药、催化等应用提供更高效的界面平台。
2、仿生粘附能力突破
独特的凹面设计模拟生物吸盘结构（如章鱼吸盘、植物附着器），在湿润生物组织表面实现强力锚定，显著提升靶向递送精度。
3、流体行为优化
非对称形貌改变流场分布，降低流动阻力并提升悬浮稳定性，在血管输运、细胞培养基质等动态环境中表现更优。
4、多级功能集成
凹陷腔室提供独立封装空间，支持药物时序释放、多细胞共培养等复杂功能，实现球形颗粒难以企及的功能协同性。
5、光学与机械性能增强
曲面结构可调控光子传播路径，赋予特殊光学响应特性；同时曲率分布优化应力传递，在机械载荷下表现出更强结构完整性。
微流控协同多技术制备凹陷微颗粒的核心方法如下：
1、相分离协同：微流控生成单分散液滴，通过调控溶剂蒸发速率触发聚合物-相变剂不相容性，诱导液滴局部收缩形成多孔凹陷结构（如高尔夫球状PLGA颗粒）。
2、溶剂萃取协同：利用微流控芯片精确控制互溶溶剂扩散界面，借助Péclet数（Pe）调控界面张力梯度，实现双凹/碗状形貌定向演化（如仿生吸盘结构）。
3、离子交联协同：微流控制备液滴后转移至高浓度离子浴（如Ca2+/Fe3+），通过交联速率与溶剂渗出竞争机制引发表面屈曲，结合旋转离心装置强化凹陷形变（如红细胞状藻酸盐微球）。
4、光聚合协同：在微流控通道内集成UV曝光系统，利用光敏材料（如PEGDA）的空间选择性固化锁定溶剂萃取诱发的瞬态凹陷，实现月牙形陶瓷颗粒的毫秒级成型。
5、部分降解协同：基于微流控构建多层复合液滴，通过选择性溶解可降解组分（如明胶核心）并结合扩散-马兰戈尼流调控，编程化生成多瓣凹陷拓扑（如花粉状载药颗粒）。
总体而言，微流控提供单分散液滴模板与动态界面操控能力，传统方法贡献形变驱动力（相分离/溶剂扩散/离子渗透等），二者耦合实现凹陷形貌的可控制备。



图1.微流控技术结合传统方法（如溶剂萃取、相分离、选择性光聚合、芯片外离子交联和选择性降解）制备凹陷微粒的示意图。



图2.通过聚合方法制备的凹陷颗粒的结构表征。



图3. a）利用乙醇作为反应介质和二乙烯基苯（DVB）作为交联剂，大规模制备类似红细胞的单分散聚苯乙烯（PS）颗粒的光学显微镜图像。b）利用微流控技术制备新月形颗粒的管状微流控装置示意图，以及颗粒从球形到新月形的形态转变。c）利用二维微流控芯片由球形前体形成凹陷微胶囊的示意图。d）通过水包油包油（O/O/W）滴液形成在微流控系统中产生非球形颗粒的示意图。e）利用微流控技术制备气-液Janus乳液滴液，通过固化形成柔性凹陷微粒的示意图。f）高通量微流控滴液发生器制备均匀的油包水乳液滴液，通过相分离和紫外线照射制备3D结构颗粒的示意图。g）通过改变PS浓度控制凹陷大小的聚苯乙烯（PS）颗粒的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像。



图4. a）通过调节溶剂蒸发速率制备具有大孔和薄壳的混合微粒示意图。b）利用电喷雾技术制备类似红细胞的壳聚糖微粒示意图。c）利用滴液溶剂萃取和固化制备具有不同形状的乙基纤维素（EC）颗粒示意图。d）在双同轴微流控装置中，通过胶体悬浮液-气体Janus液滴的演变形成非球形粒子的示意图。e）利用同轴流几何微流控技术形成类似AD的微粒的示意图。f）通过模仿AD样微粒的结构制备类似AD的水凝胶微粒的方法示意图。



图5. a）利用单乳液微流控技术制备新月形陶瓷颗粒的示意图。b）利用双紫外线光交联和单乳液微流控技术制备碗形微粒的示意图。c）利用微流控技术制备类似新月形的水凝胶微粒的示意图。d）利用三入口微流控芯片的紫外线交联过程制备液体和不对称微凝胶的示意图。e）用于制造复合微滴的微流控装置以及中间液体固化后形成新月形颗粒的示意图。



图6. a）利用芯片外离子交联和微流控技术制备凹陷微粒的示意图。b）双凹陷微凝胶形成过程的示意图。c）通过改变Fe3+浓度在Fe-Alg微凝胶中形成凹陷的光学显微镜图像。d）通过搅拌收集相，利用微流控系统制备微环的示意图。



图7. a）利用部分溶解滴液制备复杂形状的三维多室（3D-MC）微粒的示意图。b）多叶微粒的制备和表征，以及多组分微粒的微流控制备方法示意图。



图8. a）波士顿常春藤及其吸盘的图像，以及作为粘性药物载体用于延长药物释放的类似AD微粒的概念图。b）粘性微电机运输胃部药物的示意图，以及章鱼吸盘的图像。c）选择性降解和微流控制备多叶微粒，用于肠道壁粘附和长期药物释放。d）微夹具捕获、精确运输和释放货物的过程。e）三种不同颗粒上细胞负载效率的对比图。f）作为细胞载体的RGD肽修饰水凝胶微桶的示意图。g）不同形状颗粒的反射光谱图。h）吸附染料的气凝胶的扫描电子显微镜（SEM）图像，以及GO-VR气凝胶表面的多孔性质。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apmt.2025.102799








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