含螺旋血管通道的水凝膠纖維：基于微流控的生物材料制備技術(shù)新進(jìn)展
9月13日，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（Adv. Mater. 2017, 29, 1701664）。該文通訊作者為化學(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)。本研究首次報(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)。
近年來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。梁瓊麟研究組在國家自然科學(xué)基金和國家重大科技專項(xiàng)的支持下，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，開展了具有特色的研究工作，最新研究成果相繼發(fā)表于lab on a chip (2014), Scientific Reports (2016), Analytical Chemistry(2016), ACS Applied Materials & Interfaces(2016), Nano Research(2017)。 但是迄今為止國內(nèi)外尚未見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調(diào)整流速比來精確控制。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)，我們自然想到嘗試在內(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)果并不能成功制備含螺旋通道的水凝膠；反之，當(dāng)我們?cè)趦?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程不能直接套用簡(jiǎn)單兩相流的“卷繩效應(yīng)”加以解釋，而是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，我們稱之為“異質(zhì)生成卷繩效應(yīng)”（heterogenerated rope-coil Effect）。運(yùn)用該技術(shù)我們還實(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，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。
全文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201770243/full
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