基於海岸帶(dai)分形、高效(xiao)混(hun)合、精準(zhun)控(kong)制脂質體制備(bei)的(de)壁式微混(hun)合器(qi)

脂質體作(zuo)為多種(zhong)治療劑(ji)的載(zai)體，在(zai)癌(ai)癥治療及(ji)多模(mo)態成(cheng)像等領域(yu)展現出潛在優勢，但其傳(chuan)統(tong)制備(bei)存(cun)在穩定性(xing)差、靶(ba)向(xiang)性不(bu)足、制備(bei)工藝(yi)復(fu)雜(za)且重復(fu)性差等問(wen)題。為(wei)突破這(zhe)些(xie)限(xian)制，微(wei)流體技(ji)術已(yi)發展成(cheng)為壹(yi)種(zhong)高效(xiao)且成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)高(gao)的(de)脂質體合(he)成(cheng)新途徑(jing)。微混合(he)器(qi)作(zuo)為微(wei)流控(kong)芯(xin)片的(de)重(zhong)要組(zu)成(cheng)部分，在生物(wu)工程(cheng)、醫(yi)學檢(jian)測和(he)化(hua)學反(fan)應等領域(yu)廣泛(fan)應用，如聚(ju)合(he)酶(mei)鏈(lian)式反(fan)應（PCR）、疾(ji)病(bing)診(zhen)斷、核酸測序(xu)、藥(yao)物(wu)輸送和(he)細胞(bao)分離(li)等。與宏(hong)觀反(fan)應系統(tong)相(xiang)比，微混合器(qi)具有快速分析、極低(di)試(shi)劑(ji)消耗(hao)量(liang)、可(ke)控(kong)液(ye)體流動、高響(xiang)應靈敏度(du)等優點(dian)。在(zai)微(wei)混(hun)合(he)器(qi)中需混(hun)合(he)多種(zhong)流體，其性(xing)能優劣直(zhi)接影(ying)響(xiang)系統(tong)工作(zuo)效率和(he)結果(guo)準(zhun)確性(xing)，因此(ci)提高(gao)微(wei)混(hun)合器(qi)的混合效率成(cheng)為當(dang)前(qian)研(yan)究(jiu)熱(re)點(dian)之(zhi)壹(yi)。

針對(dui)以上問(wen)題，魯東(dong)大學(xue)陳雪(xue)葉(ye)教(jiao)授團(tuan)隊(dui)合(he)作(zuo)開發了壹(yi)種(zhong)基於(yu)海岸帶(dai)分形的壁(bi)式微混(hun)合器(qi)，實現(xian)了精準(zhun)控(kong)制脂質體的(de)制備(bei)。該研(yan)究(jiu)以微通(tong)道側壁(bi)的(de)擋(dang)板結構（PWFB）作(zuo)為混(hun)合(he)單(dan)元(yuan)，並(bing)采用(yong)交錯的雙側壁(bi)交叉(cha)排(pai)列（SWF）布(bu)局，極大地(di)提升了混(hun)合(he)效(xiao)率。研(yan)究(jiu)通(tong)過(guo)數(shu)值模(mo)擬(ni)和(he)實驗(yan)驗(yan)證(zheng)了其高(gao)效(xiao)混(hun)合性(xing)能，並(bing)應用於(yu)脂質體的(de)制備(bei)中(zhong)，為微(wei)流控(kong)技(ji)術在(zai)生物(wu)醫(yi)學領(ling)域(yu)的應用提(ti)供(gong)了新的思(si)路和(he)方法(fa)。

相(xiang)關成(cheng)果(guo)以“A novel micromixer based on coastal fractal for manufacturing controllable size liposome"為題發表在(zai)學術期(qi)刊《PHYSICS OF FLUIDS》上，魯東(dong)大學(xue)機(ji)械(xie)工程(cheng)系碩(shuo)士(shi)研(yan)究(jiu)生陳鑫坤為(wei)本(ben)文(wen)的(de)第壹(yi)作(zuo)者，陳雪(xue)葉(ye)教(jiao)授為(wei)通(tong)訊作(zuo)者。

通(tong)過(guo)模(mo)擬(ni)海岸線(xian)的(de)分形結構並(bing)將其應用於(yu)微(wei)混合器(qi)設計中，實現(xian)了微(wei)混(hun)合(he)器(qi)三維模(mo)型(xing)的(de)構建（圖(tu)1）。

研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)通(tong)過(guo)對(dui)微(wei)混(hun)合(he)器(qi)模(mo)型(xing)進(jin)行了嚴(yan)格(ge)的網(wang)格(ge)獨立性(xing)測試(shi)，以確保(bao)模(mo)擬(ni)結(jie)果(guo)的(de)準(zhun)確性(xing)和(he)可(ke)靠性。團(tuan)隊(dui)通(tong)過(guo)劃(hua)分五種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)網(wang)格(ge)數，在微(wei)通(tong)道出口(kou)處(chu)設(she)置(zhi)壹(yi)條(tiao)三維橫(heng)截(jie)面線(xian)，研(yan)究(jiu)不(bu)同(tong)網(wang)格(ge)數下(xia)橫(heng)截(jie)面線(xian)的速(su)度(du)變(bian)化(hua)，進(jin)行了多次測試(shi)和(he)比較(jiao)。此(ci)外，團(tuan)隊(dui)還(hai)研(yan)究(jiu)了不(bu)同(tong)網(wang)格(ge)尺寸對(dui)混合(he)指(zhi)數(shu)的(de)影(ying)響(xiang)，並(bing)將該研(yan)究(jiu)模(mo)型(xing)的(de)數(shu)值結果(guo)與引(yin)用(yong)的其他研(yan)究(jiu)人員(yuan)的最相(xiang)似模(mo)型(xing)進(jin)行了比(bi)較(jiao)。通(tong)過(guo)多方面的(de)驗證(zheng)方法(fa)和(he)數據對(dui)比分析，保證(zheng)了研(yan)究(jiu)結果(guo)和(he)結論的科學性(xing)和(he)可(ke)信度(du)，為(wei)進(jin)壹(yi)步研(yan)究(jiu)和(he)應用提(ti)供(gong)了可(ke)靠的基(ji)礎（圖(tu)2）。

數(shu)值模(mo)擬(ni)部分主(zhu)要研(yan)究(jiu)和(he)分析了不(bu)同(tong)結(jie)構參數(shu)下(xia)PWFB微(wei)混(hun)合(he)器(qi)的混合效率，通(tong)過(guo)單(dan)目(mu)標(biao)優化(hua)的方法(fa)優化(hua)PWFB結構來增(zeng)加(jia)樣品(pin)流體的(de)接觸(chu)面積(ji)和(he)接觸(chu)時間(jian)。通(tong)過(guo)比(bi)較(jiao)PWFB的(de)不(bu)同(tong)高(gao)度(du)、不(bu)同(tong)數(shu)目(mu)、不(bu)同(tong)布(bu)置(zhi)方式和(he)相(xiang)鄰(lin)兩(liang)個(ge)分形擋(dang)板間不(bu)同(tong)距離(li)的(de)混(hun)合效率結果(guo)。確定(ding)了數(shu)目(mu)為(wei)6、高(gao)度(du)為(wei)280μm、間(jian)距為(wei)87.5μm、交錯式SWF布(bu)局的PWFB是最佳(jia)的(de)微(wei)混(hun)合(he)器(qi)（圖3）。

為(wei)了進(jin)壹(yi)步研(yan)究(jiu)影(ying)響(xiang)PWFB微(wei)混(hun)合(he)器(qi)混合性能的可(ke)能因素(su)，團(tuan)隊(dui)對(dui)引(yin)起微混合器(qi)快速混合的因(yin)素(su)進(jin)行了更(geng)深(shen)入的(de)研(yan)究(jiu)。確定(ding)了PWFB結(jie)構對增(zeng)強分子擴散(san)和(he)混沌對流具有(you)重要作(zuo)用，顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)了微(wei)混(hun)合(he)器(qi)的混合性能。通(tong)過(guo)PWFB微(wei)混(hun)合(he)器(qi)的模(mo)擬(ni)濃(nong)度(du)分布(bu)和(he)八個(ge)代(dai)表性(xing)截面，研(yan)究(jiu)了在(zai)低(di)Re和(he)高Re時(shi)，PWFB微(wei)混合(he)器(qi)中不(bu)同(tong)位置(zhi)的有(you)效混合性能。從沿微(wei)通(tong)道方向(xiang)的濃(nong)度(du)曲(qu)線(xian)分布(bu)可(ke)以看出，PWFB引(yin)起的偏(pian)轉現象(xiang)對(dui)促(cu)進(jin)混(hun)合(he)效(xiao)率的提(ti)高具(ju)有(you)重(zhong)要意(yi)義(yi)（圖4）。

在實驗(yan)階(jie)段(duan)，通(tong)過(guo)結(jie)合(he)3D打(da)印(yin)技(ji)術的(de)復(fu)雜(za)結構成(cheng)型能力(li)與模(mo)塑(su)法(fa)高精度(du)成(cheng)型的(de)特(te)點(dian)，進(jin)行PWFB微混合(he)器(qi)的制備(bei)。團(tuan)隊(dui)采(cai)用(yong)摩(mo)方精密(mi)nanoArch®P150（精度(du)：25μm）3D打(da)印(yin)設(she)備，實現(xian)了微(wei)通(tong)道結(jie)構模(mo)具(ju)的(de)高(gao)精度(du)打(da)印(yin)，並(bing)結合(he)翻(fan)模(mo)技(ji)術制備(bei)了PWFB的(de)表面微(wei)通(tong)道結(jie)構（圖5）。

為驗證(zheng)PWFB微(wei)混(hun)合(he)器(qi)的混合性能，團(tuan)隊(dui)選(xuan)取(qu)藍(lan)色染料和(he)黃色染料作(zuo)為工作(zuo)流體開展性能驗證(zheng)實驗(yan)，以便(bian)實現(xian)可(ke)視化(hua)混合效(xiao)果(guo)。觀察隨(sui)著(zhe)雷諾數(shu)的(de)變(bian)化(hua)，混合指(zhi)數(shu)在(zai)實驗(yan)中(zhong)的(de)趨勢和(he)數值模(mo)擬(ni)所(suo)預(yu)測的(de)結(jie)果(guo)壹(yi)致(zhi)。

在(zai)脂質體制備(bei)的(de)應用實驗(yan)中(zhong)，該研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)以脂質溶液(ye)和(he)緩(huan)沖溶(rong)液作(zuo)為工作(zuo)流體，實現(xian)了微(wei)流控(kong)空(kong)白(bai)脂質體（MF-BL）的(de)尺寸可(ke)控(kong)生產。根(gen)據動態光(guang)散(san)射(she)(DLS)表征(zheng)顯(xian)示(shi)，MF-BL具(ju)有(you)單(dan)峰(feng)小尺寸分布(bu)，六組FRR為(wei)10的(de)獨立(li)實驗(yan)重(zhong)復(fu)性良(liang)好，獲(huo)得(de)了粒(li)徑(jing)為 165.12 ± 11.6 nm、多分散性指(zhi)數(shu)（PDI）為(wei)0.35±的(de)MF-BL。研(yan)究(jiu)結果(guo)充(chong)分證(zheng)明(ming)了該制備(bei)方法(fa)的穩定性(xing)和(he)可(ke)靠性（圖(tu)6）。

圖6. (a)當(dang)入口(kou)通(tong)道的(de)流速為(wei)14.76µL/min（Re=1）時，在(zai)微(wei)通(tong)道中(zhong)混合(he)單(dan)元(yuan)位置(zhi)的模(mo)擬(ni)和(he)實驗(yan)結(jie)果(guo)的(de)比較。(b)不(bu)同(tong)Re下(xia)的(de)數(shu)值模(mo)擬(ni)和(he)實驗(yan)結(jie)果(guo)比(bi)較。(c)不(bu)同(tong)Re下(xia)PWFB混(hun)合(he)器(qi)與簡(jian)單(dan)T形(xing)微(wei)混合器(qi)及Lv等人提出的(de)混(hun)合(he)器(qi)的混合性能比較(jiao)。(d)FRR為10的6個(ge)批(pi)次中脂質體的(de)均徑(jing)。（e）FRR為10的脂質體尺寸分布(bu)（f）FRR為10的6個(ge)批(pi)次中脂質體的(de)PDI。

總(zong)結：

本(ben)研(yan)究(jiu)創新性地(di)提出了壹(yi)種(zhong)基於(yu)海岸分形的壁(bi)式微混(hun)合器(qi)，該混(hun)合(he)器(qi)展現出極(ji)為(wei)優異(yi)的混(hun)合性能。通(tong)過(guo)數(shu)值模(mo)擬(ni)與實驗(yan)研(yan)究(jiu)，確定(ding)了其最佳(jia)結(jie)構配置(zhi)，並(bing)成(cheng)功應用於(yu)脂質體的(de)制備(bei)。這(zhe)壹(yi)成(cheng)果(guo)為(wei)微流控(kong)技(ji)術在(zai)脂質體制備(bei)以及其他生物(wu)醫(yi)學領(ling)域(yu)的應用，提(ti)供(gong)了至(zhi)關重要的(de)參考(kao)和(he)依據。未(wei)來，研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)將(jiang)持(chi)續致(zhi)力(li)於(yu)進(jin)壹(yi)步拓(tuo)展微混(hun)合器(qi)在納米醫(yi)學載(zai)體等領域(yu)的應用，有(you)望(wang)為相(xiang)關領域(yu)的發展帶來全(quan)新的突破。