能够将流体体积分解成许多大小一致且不会相互干扰的隔室的能力，是生命科学研究和诊断中许多应用的基础。利用这些功能，微流体分隔方法已在计数单个核酸和蛋白质以及基于它们的分泌或分子成分。固相与每个隔室的结合还可以进行基于表面的反应和条形码，这已导致在单cell分析和化学合成中的转化应用，但可能会受到随机封装过程的限制。
使用微流控技术创建统一的亚纳升隔室的能力为分析单cell和分子提供了新的方法。但是，需要专门的工具或专业知识，这减缓了这些前沿应用程序的采用。最近，加州大学洛杉矶分校DinoDiCarlo教授团队作者显示了带有雕刻表面化学成分的3D结构微粒，当与两种不混溶的流体相简单混合时，其水滴大小均匀。与传统乳液相反，受控体积的以颗粒为模板的液滴在系统的界面能中占据的比例最小，因此可以通过简单且可重复的形成条件获得稳定的单分散状态。作者描述了制造微滴载体颗粒的技术，并显示了用这些颗粒产生的乳液可防止分子交换。相关成果Monodispersedropstemplatedby3D-structuredmicroparticles发表在科学杂志《ScienceAdvances》上。
通过使用微米级颗粒调节生长的液滴的体积-能量分布，作者描述了一种通过简单的混合和离心步骤即可创建均匀的纳升级水性隔室的机制。液滴被3D结构化的微米级颗粒-液滴载体颗粒（DCP）-包含具有定制界面张力的材料捕获：内部亲水层和外部疏水层（图1）。通过与DCP，水相和不混溶相混合，移液或搅拌系统来产生均匀的液滴。每个粒子都有一滴，称之为液滴的组件，不同于传统的通过两亲性表面活性剂稳定的乳液或皮克林乳液通过多种纳米颗粒稳定的乳液。作者展示了如何在空间中分开移动的成对的C形DCP在临界体积之上不均匀地分割体积，而一个DCP与首选体积相关联。多个这样的成对相互作用可在跨一组相互作用和分裂的小滴的体积分布中产生强模式。
图1通过分批混合和离心操作同时形成单分散液滴。
DCP分别使用聚乙二醇（PEG）和聚丙二醇（PPG）作为亲水层和疏水层来制造。DCP的集合显示在左侧悬浮在乙醇中。右侧连续的小瓶底部显示了含有在甲苯连续相中含有荧光染料的水溶液的滴剂，其中带有明场和荧光通道。液滴以最小的系统能量在图2A中描述的填充配置中生成。右侧插图显示明场和异硫氰酸荧光素（FITC）通道中的单个液滴。
液滴形成理论
在两相系统中，界面能随表面积线性增加；对于一个孤立的体积球体（V=4πr3/3），能量缩放为4πr2V（2/3）（图2A），这是体积的凹函数。对于球形液滴乳液，液滴大小没有局部最小值，并且由于表面积的总体减小，有利于相邻液滴的聚结。
图2液滴产生的物理过程
物理实施
与润湿液相互作用的DCP在V-E关系中产生独特的能量最小值，从而导致指定体积的液滴热力学稳定（图2）。为了平衡对有限的润湿表面的需求，同时还允许流体进入，将DCP设计为C形颗粒，由内部亲水区域和外部疏水层组成（图1）。使用体积受限的最小表面算法对两个固相和两个流体相模拟稳定的液滴构型。该方法是Merriman-Bence-Osher（MBO）方案，具有针对体积约束的拍卖动力学。数值模型表明了初始扩散阶段，因为少量的分散流体形成了一个球形帽（图2A，位置i）。V-E曲线中减小的斜率对应于桥接悬链线的形成（图2A，位置ii和iii）。在中等体积时，液滴与两个以上的表面相互作用，并观察到局部最大值（图2A，位置iii和iv）。一旦内部容积被填充，我们观察到一个膨胀阶段，其中能量随着容积的增加而增加（图2A，在位置iv和v之间）。在更大的体积下，行为接近球形液滴的渐近条件（图2A），返回到凹V-E关系。因此，根据我们的理论，与流体体积相互作用的DCP会产生V-E曲线，满足足以不对称分裂的标准，并将积累首选体积（图2B）。
不对称劈裂的实验观察
实验观察到跨越两个厘米级DCP的体积分裂行为，这些DCP缓慢地分离。该系统足够大，可以精确控制相邻粒子的位置，而又足够小，以至于毛细管效应在力学上起着主导作用（图2，B和C）。调整了流体的密度和DCP的分离速度，以保持键数和雷诺数1。例如，使用聚（丙二醇）（ppg）作为连续相来匹配水相和油相之间的密度阶段。在单个dcp中，在不同的水体积下，实验观察到液滴形态的转变与c形的最窄路径上从球形帽到桥接类滑膜的理论转变相匹配，然后填充c的内杯span=。最后，润湿整个内表面并填充内部体积（图2B）。对于跨越两个DCP的液滴分裂，观察到两个主要方案，这些方案与基于V-E曲线的理论预测显着匹配（图2C）。
光学瞬态液体成型可以制造微型DCP
使用开发的称为光瞬态液体模塑（OTLM）的光流体技术制造DCP，在该技术中，作者将聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）和聚（丙二醇）二丙烯酸酯（PPGDA）的单独预聚物溶液共流，成型在微通道流中将其流化为所需的横截面形态，然后进行光交联。使用惯性流体效应沿一个方向雕刻颗粒形状，并使用光刻工艺沿正交方向雕刻颗粒形状（图3A）。可以通过调节预聚物溶液的体积流量比和沿通道长度的柱顺序来控制横截面结构，这些柱以受控的方式使预聚物流变形。之前曾开发过开源软件FlowSculpt和uFlow，以快速定量地模拟和设计同流的横截面图案，并将其应用于此处模拟PPGDA和PEGDA流的位置（图3B）。
图3尺寸均匀的微型DCP的制造。
颗粒形状均匀度
作者测量DCP群体的规模，以评估制造过程的可重复性（图3D）。作者的理论表明，DCP内层的空腔尺寸和润湿性决定着所形成的液滴的体积。围绕空腔的内部PEG层的面积为20,±μm2，被内部PEG层封装的空隙空间的长轴和短轴分别为95±9和±13μm。总体而言，尺寸在6.57％之内是均匀的，该度量标准有助于定义液滴尺寸的最小预期均匀性。
单分散性
如理论和厘米级实验所建议，在PSDS和甲苯中形成的微滴具有较好的滴体积（图4A）。周围颗粒的微观结构不仅使乳液中的液滴形成模板，而且在很长一段时间内保持其形状，从而抵抗了标准球形液滴乳液中常见的粗化过程。液滴ND受实验中水相总体积的影响。对于小于饱和值的体积（约为粒子整个空隙体积的20倍），高比例的总体仅部分填充有水相（图4B）。填充后，在μm处观察到ND分布的强模式，这与理论预测一致，即在相互作用的DCP的临界总体积以上会发生不对称分裂，从而导致优选的体积累积在子滴中（图2C）。
图4均匀液滴的形成。
显示DCP形状影响单分散性（图4C）。封闭的颗粒具有更紧密的分布，CV约为11％，液滴ND的模式明确。但是，具有更宽开口的较短长宽比的颗粒的尺寸变化几乎高出四倍。我们观察到，具有较大开口的两个或多个颗粒可以围绕单个液滴稳定地聚集（图4C，插图），从而导致液滴大小发生更多变化。因此，对于液滴的单分散性而言，期望较小的开口。
形态学
在甲苯和PSDS中形成的液滴的圆度分布如图4D所示，显示了标准乳液和我们的工程体系之间的鲜明对比。与我们的厘米级实验一致，液滴的形状使系统的界面能最小化，并受DCP腔形状的影响，而表面活性剂稳定的液滴采用球形以使能量最小化。
液滴防止串扰
容易产生固相支持的单分散液滴的能力为分子和细胞测定打开了许多新机会。这些分析的一项基本要求是能够隔离系统中的各个部分，以最大程度地减少分子干扰。在甲苯连续相中混合含有单独染料溶液（大小分别为0.6和70kDa）的液滴后，我们观察到相同的液滴总数，而没有明显的染料交换（图5A）。平均观察到0.6kDa染料的转移少于9.6。％，而通过移液进行动态搅拌4分钟后，观察到较大的70kDa染料的转移7.4％。混合后的这种最小串扰可能是由于DCP的外部疏水层产生了物理屏障以及所支撑液滴的热力学稳定性所致。
图5液滴中的分子分离和酶促反应。
液滴中的酶促测定
利用防止隔室之间的串扰的能力，作者证明了固相酶促反应，其中反应的荧光产物积聚在与酶相容的PSDS连续相中形成的液滴中。作者用biotin修饰DCP的内PEG层，与streptavidin标记的辣根过氧化物酶（HRP）孵育，洗去未结合的酶，并用QuantaRed水溶液产生液滴。产生小滴后，将系统温育不同时间以产生荧光试卤灵产品。HRP催化试卤灵的形成，其以剂量依赖的方式积累在液滴中，从而在30分钟的时间内产生易于观察的荧光信号（图5，B和C）。通过酶促产生试卤灵的液滴在没有反应的情况下不会与相邻的液滴发生串扰。将含有或不含biotin的DCP与1nM链霉亲和素-HRP混合，并如上所述进行QuantaRed分析。孵育24小时后，可以轻松区分对链霉亲和素HRP有亲和力的小滴中平均强度水平（图5D）。值得注意的是，在不同孔中温育的这些相同颗粒中，酶转化为试卤灵的信号显示出相似的强度水平，这表明产物通过油相的运输对信号强度没有贡献（图5D）。
液滴中的单cell分泌测定
作者还证明了与单cell分泌测定法在PSDS中形成的小滴的相容性，表明维持cell功能和生存能力。首先将LNCaPcell与对多种MMP，参与cancercell侵袭和免疫逃逸的蛋白酶敏感的荧光底物一起载入培养基中。将该溶液与DCP混合，除去多余的液体，然后添加PSDS形成液滴。加载通常遵循泊松统计（图6A）导致占据每个液滴的cell数量分布。表征酶活性和膜通透性的活/死测定表明，细胞保持活力至少4.5小时，这是评估的最大时间段（图6B）。对于在相同缓冲溶液中但未暴露于PSDS或未保存在小滴内的cell，活力追踪结果相似。cell还分泌能切割荧光底物的活性MMP，从而导致积累的荧光信号与封装在每个液滴中的cell数量相关（R2=0.72；图6C）。与没有任何包囊细胞的液滴相比，含有单个细胞的液滴分泌MMP的水平导致可分辨的荧光信号（图6D）。液滴的强度随时间增加，其速率取决于封装细胞的数量（图6E）。含有相同数量cell的小滴中信号的异质性可能对应于单个细胞MMP分泌的异质性。作者还显示，响应于LNCaPcell与两种分泌抑制剂的混合物的共孵育，信号被显着抑制，表明该测定法测量了包囊细胞的活性分泌（图6F）。
图6：液滴中的cell分泌测定。
参考文献：
10./sciadv.abb
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