9月13日，清華化學(xué)系梁瓊麟研究組在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）發(fā)表基于微流控的生物材料制備技術(shù)研究的新成果，并作為當(dāng)期雜志內(nèi)封面（《先進(jìn)材料》. 2017, 29, 1701664）。該研究首次報(bào)道了含螺旋血管通道的生物水凝膠纖維的生成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了血液灌注功能及物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的研究，并提出了結(jié)合微流控反應(yīng)與微流體力學(xué)的“異質(zhì)生成卷繩效應(yīng)”，為含螺旋通道或直通道的水凝膠纖維的可控制備奠定了理論基礎(chǔ)。

圖1：《先進(jìn)材料》雜志內(nèi)封面。

近年來(lái)水凝膠纖維特別是具有通道結(jié)構(gòu)的生物纖維材料，因其在組織工程與生物制造、體外組織器官模型的構(gòu)建及體內(nèi)生理環(huán)境的模擬等方面的應(yīng)用前景而受到廣泛關(guān)注。梁瓊麟研究組將微流控技術(shù)引入到上述生物制造、生物微環(huán)境模擬以及藥物篩選等研究領(lǐng)域，開(kāi)展了具有特色的研究工作，最新研究成果相繼發(fā)表于《芯片實(shí)驗(yàn)室》（lab on a chip） (2014), 《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports） (2016), 《分析化學(xué)》（Analytical Chemistry）(2016), 《美國(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)應(yīng)用材料》（ACS Applied Materials & Interfaces） (2016), 《納米研究》（Nano Research） (2017)。 但是迄今為止國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到含螺旋血管通道的水凝膠纖維制備技術(shù)的文獻(xiàn)報(bào)道。事實(shí)上，各種螺旋狀結(jié)構(gòu)在自然界廣泛存在，而在人體組織如胚胎、腫瘤中螺旋狀復(fù)雜血管結(jié)構(gòu)的存在也引起科學(xué)家的興趣，但是若要對(duì)這些自然界的螺旋通道結(jié)構(gòu)與功能開(kāi)展深入的研究或者組織器官工程的應(yīng)用，基礎(chǔ)性的工作尚有賴于含螺旋通道的水凝膠材料相關(guān)制備技術(shù)的發(fā)展。

如圖2.所示，本研究利用共軸微流控?cái)D出裝置，選用海藻酸鈉-氯化鈣共軸雙相層流體系作為模型，首次制備了新型螺旋通道水凝膠纖維，而且該水凝膠纖維通道的形貌和尺寸可以通過(guò)調(diào)整流速比來(lái)精確控制。按照經(jīng)典流體力學(xué)的“卷繩效應(yīng)”，當(dāng)粘性的液體（內(nèi)相）通過(guò)微管道在低粘性的空氣（外相）擠出時(shí)會(huì)生成類似卷繩狀的螺旋，受此啟發(fā)，梁瓊麟研究組嘗試在內(nèi)相溶液通入粘性的海藻酸鈉而外相通入低粘性的氯化鈣，但結(jié)果表明這種方法并不能成功制備含螺旋通道的水凝膠。但是，當(dāng)研究組在內(nèi)相溶液通入低粘性的氯化鈣而外相通入粘性的海藻酸鈉時(shí)則取得了成功。

之所以出現(xiàn)這種反?，F(xiàn)象，是因?yàn)楹Ｔ逅徕c和氯化鈣兩相溶液在層流的同時(shí)發(fā)生著動(dòng)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)，兩相界面處生成了更高粘度的海藻酸鈣水凝膠層并不斷增厚（粘度不斷增大），當(dāng)生成的海藻酸鈣層超過(guò)外相的海藻酸鈉溶液并達(dá)到一定臨界值則會(huì)在管內(nèi)形成螺旋的海藻酸鈣通道，而內(nèi)層同時(shí)流動(dòng)的氯化鈣溶液的存在則使得生成的螺旋通道保持中空狀態(tài)，外層海藻酸鈉溶液在進(jìn)一步與鈣離子反應(yīng)后固化成為海藻酸鈣纖維。這種含螺旋通道的水凝膠纖維制備過(guò)程不能直接套用簡(jiǎn)單兩相流的“卷繩效應(yīng)”加以解釋。由于微流控兩相界面處動(dòng)態(tài)反應(yīng)生成的異質(zhì)界面（海藻酸鈣）的存在，使得相對(duì)粘度發(fā)生了動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生了類似“卷繩效應(yīng)”的螺旋現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱之為“異質(zhì)生成卷繩效應(yīng)”（heterogenerated rope-coil Effect）。運(yùn)用該技術(shù)梁瓊麟研究組還實(shí)現(xiàn)了雙螺旋、多螺旋通道以及纖維的三維組裝等復(fù)雜結(jié)構(gòu)水凝膠材料的制備。所制備的螺旋通道水凝膠纖維具有良好的可灌注能力，可實(shí)現(xiàn)極長(zhǎng)（米級(jí)）水凝膠纖維的血液灌注流通。

通過(guò)構(gòu)建的體外螺旋動(dòng)脈模型，比較考察了在螺旋通道和直通道條件下血細(xì)胞流動(dòng)狀態(tài)的差異和熒光素標(biāo)記的葡聚糖分子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的差異，梁瓊麟研究組初步展示了螺旋血管與普通血管可能存在的生理功能上的差異。該研究為螺旋狀等復(fù)雜通道結(jié)構(gòu)水凝膠材料的制備提供了新理論和新方法，為進(jìn)一步發(fā)展組織器官仿生的體外病理生理模型或未來(lái)的組織器官工程應(yīng)用展示了可能性，是基于微流控的生物制造技術(shù)的一個(gè)新進(jìn)展。

該論文通訊作者為化學(xué)系長(zhǎng)聘副教授梁瓊麟博士，第一作者為其指導(dǎo)的碩士生徐培迪同學(xué)。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家重大科技專項(xiàng)課題（2013ZX09507005）、國(guó)家自然科學(xué)基金(21621003, 21235004, 81230079)及北京市科技計(jì)劃(Z131100006513009)的支持。

論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201770243/full

供稿：化學(xué)系 編輯：華山

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