顆粒和細(xì)胞在液滴中的包封在生物醫(yī)學(xué)工程和材料科學(xué)中具有高度相關(guān)性。然而，到目前為止，該領(lǐng)域的大多數(shù)研究都集中在懸浮在牛頓液體中的顆粒或細(xì)胞的包封上。我們?cè)谶@里研究了T型接頭微流體裝置中的顆粒包封現(xiàn)象，使用磷酸鹽緩沖鹽水中的非牛頓粘彈性透明質(zhì)酸溶液作為顆粒的懸浮液。我們首先研究了非牛頓液滴形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)歸一化液滴長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)與牛頓液滴長(zhǎng)度成比例。然后，我們進(jìn)行了粘彈性封裝實(shí)驗(yàn)，利用顆粒在接近封裝區(qū)域之前在等距結(jié)構(gòu)中自組裝的事實(shí)，確定了一些實(shí)驗(yàn)條件，在這些條件下，單個(gè)封裝效率大于泊松統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)的隨機(jī)極限。

將物體分隔或封裝在皮升液滴中是一種廣泛應(yīng)用的過程，包括篩選抗體、酶和蛋白質(zhì)，以及其他細(xì)胞間相互作用分析。液滴中顆粒的分區(qū)通常在微流體裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S精確控制產(chǎn)生具有均勻恒定尺寸的液滴所需的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。包封過程受液滴形成背后的相同原理的支配，分散相包含顆粒，這些顆粒在連接處“遇到”連續(xù)的不混溶相，以形成液滴。兩種流體相遇的接合處可以呈現(xiàn)T形接合、流動(dòng)聚焦或同心幾何形狀。實(shí)際的封裝效率由所謂的泊松極限決定，對(duì)于每個(gè)液滴封裝一個(gè)顆粒，泊松極限約為37%，這意味著剩余的液滴要么是空的，要么在同一液滴中包含更多的顆粒。存在這種限制的原因是，接近包封區(qū)域的顆粒不會(huì)以恒定頻率到達(dá)，而是以恒定頻率產(chǎn)生液滴，液滴由連續(xù)和分散液相的體積流量值控制。近年來，將封裝效率提高到泊松極限以上的要求引起了人們的極大興趣。

Edd等人首次引入了一種方法，通過使用粒子有序現(xiàn)象來克服泊松極限，其中粒子在接近封裝區(qū)域之前在一條或多條流線上等距分布。一般來說，當(dāng)流動(dòng)的顆粒等距分布時(shí)，接近包封區(qū)域的顆粒頻率保持不變：作者將該頻率與液滴形成頻率同步，從而實(shí)現(xiàn)了高于泊松極限的單一包封效率。其他幾項(xiàng)工作遵循了這一最初的想法，設(shè)計(jì)了微流體裝置，利用慣性粒子有序現(xiàn)象來克服泊松統(tǒng)計(jì)極限。

最近，Edd等人最初提出的相同原理被用于使用非牛頓粘彈性液體的顆粒封裝框架。在這些工作中，作者利用最近發(fā)現(xiàn)的粘彈性粒子有序現(xiàn)象證明了粘彈性粒子的包封比泊松極限大2倍。在一個(gè)案例中，作者使用了一種商業(yè)T型結(jié)玻璃微流體裝置和一種水性剪切稀黃原膠懸浮液。在另一個(gè)案例中，作者設(shè)計(jì)了一種具有流動(dòng)聚焦配置的微流體裝置，并采用了透明質(zhì)酸水溶液，證明了粘彈性包封和共包封比泊松極限大2倍的顆粒。使用非牛頓液體而不是牛頓液體來等間距粒子的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，粘彈性排序僅在單行上實(shí)現(xiàn)，從而確定了實(shí)現(xiàn)受控封裝的預(yù)測(cè)公式，如前所述。與牛頓流體相比，粘彈性液體中顆粒的包封更難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榱黧w的彈性會(huì)阻礙液滴形成現(xiàn)象或?qū)е铝鲃?dòng)不穩(wěn)定。到目前為止，上述兩份手稿是唯一一份以顆粒粘彈性包封為特征的手稿，還有幾個(gè)問題尚未得到解答。例如，迄今為止使用的懸浮液不適合與細(xì)胞一起工作，因?yàn)榧?xì)胞需要磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）才能存活。然而，在之前的工作中報(bào)告的懸浮液中添加PBS可能會(huì)導(dǎo)致其流變性能的變化，特別是剪切稀化幅度的減小，這反過來會(huì)導(dǎo)致顆粒有序性的抑制，有利于顆粒串的形成。此外，到目前為止引入的設(shè)備仍然受到顆粒聚集體問題的影響，這些問題破壞了顆粒串的連續(xù)性。

在這項(xiàng)工作中，我們使用PBS中的透明質(zhì)酸溶液來研究T型接頭微流體裝置中顆粒的粘彈性包封。我們選擇透明質(zhì)酸作為粘彈性液體，因?yàn)榕c其他聚合物溶液相比，它具有很高的生物相容性，并且因?yàn)樗罱殉晒τ糜谘菔玖鲃?dòng)聚焦幾何形狀中的受控顆粒包封。此外，與之前使用的黃原膠相比，透明質(zhì)酸是一種更穩(wěn)定的聚合物，黃原膠在溶液中會(huì)隨著時(shí)間的推移迅速降解。與標(biāo)準(zhǔn)和市售的T型接頭裝置不同，我們的微流體裝置添加了幾個(gè)梯形元件來打破顆粒聚集體，正如最近在另一項(xiàng)工作中所證明的那樣。我們首先研究了粘彈性液滴的形成機(jī)理，然后研究了粘彈包封。我們確定了一些單粒子包封效率大于泊松極限的最佳實(shí)驗(yàn)條件。

微流體器件的設(shè)計(jì)與制造

實(shí)驗(yàn)在方形微流體裝置中進(jìn)行，該裝置旨在促進(jìn)顆粒的封裝，其效率高于隨機(jī)泊松值（圖1a，b）。懸浮在聚合物溶液中的顆粒進(jìn)入微流體裝置，然后穿過一系列梯形元件，類似于劉等人最初報(bào)道的那些元件。當(dāng)粒子進(jìn)入梯形元素時(shí)，由于橫截面的變化，粒子首先減速，然后在離開時(shí)加速：突然的加速促進(jìn)了粒子之間的分離。Jeyasontharan等人采用了Liu等人提出的原始概念來量化進(jìn)入微流體裝置的聚集體的破碎效率。基于之前的結(jié)果，這里的顆粒通過入口1進(jìn)入通道，在那里它們穿過16個(gè)梯形元件，在那里潛在的聚集體可以被分解為單個(gè)顆粒。我們?cè)谶@里沒有量化顆粒的分解效率，因?yàn)檫@在我們之前的工作中已經(jīng)報(bào)道過，在梯形結(jié)構(gòu)的末端觀察到90%以上的孤立顆粒。正如之前所報(bào)道的那樣，粒子沿著蜿蜒的通道行進(jìn)，以促進(jìn)等距粒子串的形成。連續(xù)相通過入口2進(jìn)入微流體裝置（圖1a），并在T形接頭處與分散相相遇，從而形成含有包封顆粒的液滴（圖1a）。我們選擇了T型接頭幾何形狀，因?yàn)樗c生物合成、藥物遞送和微凝膠制造相關(guān)的幾個(gè)應(yīng)用有關(guān)。此外，我們希望通過添加PBS作為懸浮液來測(cè)試透明質(zhì)酸，用于受控封裝應(yīng)用，因?yàn)橹瓣P(guān)于T型接頭的研究側(cè)重于黃原膠的使用，而另一項(xiàng)關(guān)于流動(dòng)聚焦幾何形狀的研究則以不含PBS的透明質(zhì)酸為特征。

使用微銑床在厚度為1.2mm的剛性聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基板上制造微流體裝置，使用與先前工作中使用的方法相同的方法。首先，使用2mm寬的尖端將基板研磨至300μm以獲得均勻的表面。A 100μm金屬尖端用于將通道銑削到PMAA基材上。然后，使用0.5mm寬的尖端銑削直徑為1.6mm的入口和出口孔。通道深度保持恒定為100μm，方形微流體裝置的寬度等于100μm.在器件制造后，將PMMA基板置于超聲波浴中30分鐘以去除多余的材料。加壓空氣用于完全干燥PMMA基板。使用雙面膠帶將PMMA基板粘合到載玻片上。使用雙面膠帶將自制適配器連接到微流體裝置的兩個(gè)入口。PMMA在過去已被確定為潛在不穩(wěn)定液滴產(chǎn)生的來源，因此需要表面改性。然而，在我們的案例中，正如我們之前在流動(dòng)聚焦幾何中控制封裝的研究一樣，我們觀察到穩(wěn)定的液滴生成。PMMA器件中缺乏不穩(wěn)定的液滴形成，這與文獻(xiàn)中的一些先前工作相呼應(yīng)。

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