根據(jù)是否需要外力，液滴產(chǎn)生通常包括兩種類型，即被動(dòng)和主動(dòng)產(chǎn)生微滴。被動(dòng)方法不需要外力，微流控芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。液滴的形成主要通過改變微通道結(jié)構(gòu)和兩相速度比來控制。主動(dòng)方法通過外力產(chǎn)生液滴，通常具有復(fù)雜的設(shè)備幾何形狀。有關(guān)液滴產(chǎn)生的具體原理的更多信息，請(qǐng)參閱之前的綜述。此處介紹了最近的研究報(bào)告。

被動(dòng)液滴生成在被動(dòng)方法中，微流體兩相流由提供恒定流量的注射泵或由壓力驅(qū)動(dòng)泵控制，而無需額外的能量輸入。在液滴形成過程中，從注射或壓力驅(qū)動(dòng)泵引入的一些能量被轉(zhuǎn)化為界面能，這會(huì)促進(jìn)液-液界面的不穩(wěn)定性，使液滴能夠與分散相分離。影響液滴尺寸的物理參數(shù)，如橫截面形狀、毛細(xì)管數(shù)和雷諾數(shù)，會(huì)影響液滴的形成過程和液滴尺寸。為了研究這些物理因素的影響，Liu等人設(shè)計(jì)了一種帶有收縮微通道的T形結(jié)構(gòu)，以控制單分散微滴的產(chǎn)生（圖2A）。他們的結(jié)果表明，可以在降低流動(dòng)阻力的情況下產(chǎn)生單尺寸的液滴。此外，他們發(fā)現(xiàn)收縮寬度對(duì)分散規(guī)律有顯著影響，隨著收縮寬度的減小，液滴尺寸趨于減小。相對(duì)于經(jīng)典的T形接頭通道，收縮的T形連接微通道可以產(chǎn)生更小的水滴，其尺寸符合應(yīng)用于經(jīng)典T形接頭渠道的尺寸預(yù)測(cè)公式。

大多數(shù)微滴是油-水或水-油滴，通常需要使用有機(jī)試劑和表面活性劑，這限制了它們?cè)谏锖图?xì)胞研究中的廣泛應(yīng)用。因此，制備不含油和表面活性劑的水包水微滴更為合適。Mazutis團(tuán)隊(duì)提出了一種使用由葡聚糖和丙烯酸酯改性的聚乙二醇組成的雙水相系統(tǒng)的液滴制備方法（圖2B）。他們的方法用于包封革蘭氏陰性和陽性細(xì)菌細(xì)胞，并測(cè)試基因組擴(kuò)增反應(yīng)的效率。該系統(tǒng)在良好的生物相容性、靈活性和高通量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在微載體制備和組織工程等各種化學(xué)和生物應(yīng)用中具有潛在的用途。然而，在被動(dòng)液滴生成下封裝大多數(shù)細(xì)胞的策略取決于使用具有泊松空間分布的細(xì)胞，因此，含有單個(gè)細(xì)胞的微滴數(shù)量將非常少。因此，需要進(jìn)行后分離以獲得含有單細(xì)胞的液滴。

近年來，多室微膠囊已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如藥物遞送、癌癥聯(lián)合治療、組織再生和限制性酶反應(yīng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S多個(gè)組分被單獨(dú)封裝。Mou等人報(bào)道了一種基于同軸微流體裝置制備均勻特洛伊木馬狀刺激響應(yīng)微膠囊的方法（圖2C）。具體來說，使用四乳液法制備均勻的O1/W2/O3/W4/O5微膠囊。每個(gè)微膠囊包含兩個(gè)刺激響應(yīng)性水凝膠殼，可以通過殼分解或破裂釋放膠囊隔室中的內(nèi)容物。制備的微膠囊可以用作控釋和微反應(yīng)的候選材料。此外，秦的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種流動(dòng)聚焦微流體裝置，該裝置通過葡聚糖和聚乙二醇從核流和殼流中自發(fā)相分離形成穩(wěn)定的水-水界面，然后在油相剪切的作用下形成多室微膠囊。

主動(dòng)液滴生成在主動(dòng)方法中，液滴是通過主動(dòng)控制在額外能量輸入的幫助下生成的。與被動(dòng)液滴生成相比，這種方法具有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）它可以靈活地控制液滴尺寸和生產(chǎn)頻率，在某些情況下可以按需生成液滴。相比之下，在被動(dòng)液滴生成中，幾乎不可能獨(dú)立控制液滴的大小和頻率。（2）主動(dòng)控制下穩(wěn)定液滴生成所需的時(shí)間比被動(dòng)控制下的時(shí)間短得多，產(chǎn)生穩(wěn)定液滴的時(shí)間從被動(dòng)方法下所需的幾秒甚至幾分鐘縮短到幾毫秒。（3）主動(dòng)控制提高了雙水相和高粘度流體中液滴形成的魯棒性。

最近在開發(fā)主動(dòng)液滴生成方法方面取得了一些進(jìn)展，其中使用各種力，包括電、磁、機(jī)械、光學(xué)和聲學(xué)力來操縱微流體以產(chǎn)生液滴。由于其快速的響應(yīng)速度和與微通道結(jié)構(gòu)的良好兼容性，電場(chǎng)被廣泛應(yīng)用于液滴的產(chǎn)生。Yin等人展示了一種通過施加直流和交流電場(chǎng)在微通道中精確形成尺寸可控的水包油液滴而無需表面處理的方法（圖3A）。他們發(fā)現(xiàn)，在方波電場(chǎng)控制下形成的液滴尺寸與場(chǎng)頻率呈反比線性關(guān)系，可以通過調(diào)節(jié)場(chǎng)的電壓和頻率來改變。電場(chǎng)方法的主要優(yōu)點(diǎn)是其快速響應(yīng)、能夠精確控制液滴形成，并且不需要傳統(tǒng)PDMS微通道中所需的表面處理，這大大降低了流體動(dòng)力學(xué)特性要求，解決了液滴形成過程中材料的潤濕性問題。此外，Samlali等人開發(fā)了一種基于共面電極組件的混合微流體平臺(tái)，用于精確控制單細(xì)胞分離的液滴生成。遺憾的是，該系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)十幾個(gè)液滴/單細(xì)胞的操作，其吞吐量需要提高。

使用磁場(chǎng)產(chǎn)生液滴具有不發(fā)熱、操作簡(jiǎn)單和避免與樣品接觸的優(yōu)點(diǎn)。此外，溫度、離子濃度和pH值等環(huán)境參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)和磁力的影響很小，這為微流控液滴技術(shù)提供了新的方法。Zhang等人提出了一種在T型結(jié)微流體裝置（圖3B）66中使用磁場(chǎng)產(chǎn)生液滴的方法，其中永磁體放置在結(jié)的一側(cè)以形成非均勻磁場(chǎng)。他們探索了兩相流速和磁通密度對(duì)液滴尺寸的影響，表明它隨著磁通密度的增加而增加，隨著兩相流比和毛細(xì)管數(shù)量的增加而減小。鐵磁流體液滴的大小也可以通過改變流聚焦裝置中的方波磁場(chǎng)來調(diào)節(jié)。利用磁力精確操縱鐵磁液滴為生物、醫(yī)學(xué)和精密儀器控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用帶來了新的前景。

通過使用機(jī)械振動(dòng)器擾動(dòng)分散相微管，可以實(shí)現(xiàn)液滴生產(chǎn)的機(jī)械振動(dòng)。盡管大多數(shù)主動(dòng)液滴生成方法需要將電極等附加組件集成到芯片中，但機(jī)械振動(dòng)依賴于使用芯片外部振動(dòng)器來干擾微管，從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便的操作。Zhu等人通過測(cè)量振動(dòng)引起的內(nèi)部流體流動(dòng)波動(dòng)，定量描述了受機(jī)械振動(dòng)影響的同軸聚焦微流體通道中液滴的產(chǎn)生（圖3C）。他們發(fā)現(xiàn)液滴頻率與振動(dòng)頻率同步，液滴的大小可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。由于在機(jī)械液滴產(chǎn)生下，液滴尺寸對(duì)微通道幾何形狀的依賴性非常弱，因此這種方法為克服微通道幾何形狀對(duì)液滴尺寸的長期限制提供了一種有效的方法。最近，秦的團(tuán)隊(duì)證明了氣動(dòng)操作是一種在水滴中可控產(chǎn)水的很好的方法。氣動(dòng)閥作用于分散相的開關(guān)周期以及分散相和連續(xù)相的流速精確地影響了其集成微流體系統(tǒng)中微滴的尺寸，表現(xiàn)出高穩(wěn)定性、可控性和靈活性。

液滴也可以根據(jù)需要使用聚焦激光在光學(xué)操縱的基礎(chǔ)上產(chǎn)生。正如Delville小組所報(bào)告的那樣（圖3D），光在空間上通過局部Marangoni應(yīng)力迫使液體界面變形，并導(dǎo)致線到液滴的轉(zhuǎn)變。最近，Wang等人使用波長為1550 nm的聚焦紅外激光研究了液滴產(chǎn)生的控制。他們?cè)u(píng)估了在不同流速、光束功率和光斑位置下產(chǎn)生的激光控制液滴的特性，并比較了有和沒有激光控制所需的條件。這項(xiàng)工作為理解紅外激光控制液滴的產(chǎn)生及其在微流體液滴技術(shù)中的應(yīng)用提供了全面的資源。

表面聲波被廣泛應(yīng)用于按需液滴生成，因?yàn)樗鼈兙哂懈吣芰?，可以限制沿基材表面?zhèn)鞑ィ试S有效的流固耦合，并且清潔無污染。Jin等人報(bào)道了一種基于聚焦表面聲波驅(qū)動(dòng)微流體的微滴形成方法，并研究了微滴形成的相關(guān)機(jī)制和過程（圖3E）。他們觀察到，微滴的大小主要取決于聚焦表面聲波的頻率、驅(qū)動(dòng)電壓和分散相的速度。他們的方法克服了一般微流體液滴技術(shù)中微通道結(jié)構(gòu)和毛細(xì)管數(shù)量的限制，具有高度的均勻性，同時(shí)縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

此外，還有其他取決于離心和熱效應(yīng)的主動(dòng)液滴生成方法。由微流體裝置的旋轉(zhuǎn)或使用臺(tái)式微型離心分離機(jī)離心玻璃毛細(xì)管引起的離心力分別有助于T形接頭或共流通道中的液滴形成。此外，電加熱和冰袋輔助冷卻引起的液氣相變可以幫助產(chǎn)生尺寸相對(duì)較小的微滴，微波加熱可以導(dǎo)致兩種流體界面處拉普拉斯壓力的變化，然后根據(jù)需要產(chǎn)生液滴。

在開發(fā)用于細(xì)胞研究的微流控液滴方法時(shí)，制造便利性、液滴生產(chǎn)率和生物相容性都是必須評(píng)估的關(guān)鍵參數(shù)。然而，鑒于對(duì)活性液滴生產(chǎn)方法的研究數(shù)量有限，尚不清楚哪種方法最適合細(xì)胞包封。表1中列出的活性方法都不能最佳地滿足這些條件。例如，激光和高壓電場(chǎng)的生物相容性較差，離心力驅(qū)動(dòng)液滴的形成通常對(duì)細(xì)胞有害，聲學(xué)、磁性和其他外部驅(qū)動(dòng)方法要么涉及相對(duì)較慢的生成速率，要么涉及復(fù)雜的芯片集成。被動(dòng)方法在單細(xì)胞包封率低和無法按需產(chǎn)生液滴方面存在缺點(diǎn)。然而，這些缺點(diǎn)只反映了當(dāng)前的發(fā)展形勢(shì)，并不代表固有的局限性，因?yàn)槲⒘骺匾旱渭夹g(shù)用于單細(xì)胞封裝的應(yīng)用仍然不發(fā)達(dá)。因此，微流控液滴技術(shù)在單細(xì)胞研究中的應(yīng)用具有廣闊的研究前景。

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