在高分子溶液的締合液液相分離過程中，均一的溶液體系會在熵或焓的驅(qū)動下經(jīng)相分離形成兩種液相：其中含有高濃度聚合物的一相被稱為凝聚相（coacervates），含有低濃度聚合物的一相則稱為稀相。這種凝聚相過程可以發(fā)生在多種合成高聚物或生物大分子中，如蛋白質(zhì)、多糖和核酸。其中，由生物大分子組成的凝聚相構(gòu)成了細(xì)胞內(nèi)的多種無膜細(xì)胞器，在酶催化反應(yīng)和遺傳信息轉(zhuǎn)錄翻譯等過程中發(fā)揮著重要作用。

為了更精準(zhǔn)地調(diào)控聚合物的凝聚過程，并揭示這種凝聚相體系實現(xiàn)分子富集與調(diào)節(jié)反應(yīng)速率的機制，研究者們借助微流控技術(shù)構(gòu)建了包裹凝聚相的囊泡（coacervate-core-vesicles，COV）系統(tǒng)，以實現(xiàn)對相分離、分子富集與反應(yīng)過程的時空控制。

基于此，近期，新加坡南洋理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院俞璟團隊在BMEMat期刊上發(fā)表題為“Progress in constructing functional coacervate systems using microfluidics”的綜述文章。該文章匯總了近年來使用微流控通道構(gòu)建凝聚相系統(tǒng)的研究進(jìn)展，系統(tǒng)介紹了COV系統(tǒng)中膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略、環(huán)境響應(yīng)型相分離過程的調(diào)控方法以及此類系統(tǒng)的應(yīng)用場景。最后，作者深入討論了基于微流控技術(shù)的功能化凝聚相系統(tǒng)的發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)與前景。

圖1 基于微流控器件的復(fù)雜凝聚相系統(tǒng)構(gòu)建方法及其應(yīng)用

圖2液滴內(nèi)復(fù)雜凝聚相分離過程調(diào)控

圖3 功能化凝聚相系統(tǒng)的應(yīng)用場景 總體而言，微流控器件可以實現(xiàn)從下至上的凝聚相-囊泡體系的精準(zhǔn)化構(gòu)建，并可以結(jié)合在線調(diào)控與檢測技術(shù)實時調(diào)整并監(jiān)測高聚物相的凝聚與溶解。

但液滴微流控技術(shù)仍面臨一些經(jīng)典問題亟待解決：

（1）為構(gòu)建穩(wěn)定與單分散性的多級乳液，需要向微通道內(nèi)引入油相與表面活性劑等物質(zhì)，在保證液滴穩(wěn)定的同時增加體系的復(fù)雜性。同時，在十至百微米尺度下，流體與通道壁面的相互作用不可忽視，聚電解質(zhì)與壁面的浸潤作用變得明顯，需要研究者仔細(xì)調(diào)控溶液體系并對壁面進(jìn)行充分的親水或疏水改性。

（2）微流控通道因易堵塞的特性不適用于操作有易團聚顆粒的分散液或高粘流體。在這種應(yīng)用情境下，膜乳化器件則具有更高的魯棒性。

此外，將締合液液相分離過程引入微流控芯片可觀察到與其他多相乳液調(diào)控（如多種不溶相或雙水相體系）完全不同的相分離現(xiàn)象，但對于高分子凝聚相特有的理化性質(zhì)，如凝聚相的成核生長、流變特性以及固-液相轉(zhuǎn)變等現(xiàn)象還缺少細(xì)致研究。

同時，復(fù)雜凝聚相系統(tǒng)中的多級相互作用力，包括靜電力、疏水作用、π-π相互作用、氫鍵等對分相過程的貢獻(xiàn)也可以借助微尺度下的精準(zhǔn)調(diào)控進(jìn)行揭示，進(jìn)而構(gòu)建熱力學(xué)穩(wěn)定的凝聚相體系，為發(fā)展基于凝聚相的藥物遞送材料與高效微反應(yīng)器奠定基礎(chǔ)。





審核編輯：劉清