Adv. Mater综述：液滴微阵列--从表面图案化到高通量应用

【引言】

近几十年来，微型化的概念在生物及化学分析领域发展迅速。液滴能够将反应物分离，用于模拟与宏观反应体系类似的各种过程，因而在微型化生物/化学实验中具有广泛的应用前景。液滴微阵列具有高通量、体积精确可控以及高兼容性等很多优点，因此在微型化高通量应用领域中具有光明的发展前景。

近日，卡尔斯鲁厄理工（KIT）的Pavel Levkin（通讯作者）等人在Adv. Mater.上发表题为“Droplet Microarrays: From Surface Patterning to High-Throughput Applications”的综述文章。文中系统阐述了最近几年发表的二维液滴微阵列的制备及潜在的应用，包括细胞筛选、粒子组装、传感器制备以及化学合成等等。此外，他们对该领域目前存在的问题及其他潜在应用等进行了展望。

【简介】

微流控技术为生化研究提供了多种可能性。但由于小分子具有较强的扩散性，因此无法完全隔绝连续相与非连续相间的物质交换，从而具有潜在的污染问题。孔板结构中的物理间隔能够阻碍化学及光学交叉，从而为解决平行反应间的污染问题提供了解决方案。只需对孔板进行简单的标记，就能够平行进行多种化学反应。但对于大规模的孔板检测来说，需要复杂昂贵的设备进行反应物的添加。此外，随着高通量需求的加强，孔板的微型化面临着巨大的挑战。在图案化浸润性表面构筑二维液滴微阵列能够阻止液滴间的物质迁移及融合，为高通量检测等应用提供了新的研究思路。液滴微阵列的形状可任意设计，尺寸可降至微米/纳米级别，并且整个过程不需要引入表面活性剂。此外，该体系属于开放体系，能够直接借助各种表征手段进行化学分析。

图1不同高通量筛选方法：A，微流控技术；B，孔板技术；C，液滴微阵列技术。D，液滴微阵列技术的优势。

2 细胞筛选及培养

细胞筛选在诸如制药等领域发挥着越来越重要的作用。随着对筛选通量要求的提高，人们提出了细胞微阵列的概念。对于常规的细胞微阵列方法，交叉感染是一个非常严重的问题，并且细胞阵列的密度以及通量受到限制。液滴微阵列为细胞的高通量阵列化提供了完美的解决手段。每个微液滴可看做独立的细胞培养基，从而能够保证高通量的情况下完全避免交叉感染。利用液滴微阵列技术，可实现细胞的高通量筛选、单细胞阵列的制备及培养、以及三维细胞培养等。

图2 液滴微阵列在细胞方面的应用。A，细胞高通量筛选；B，单细胞分离；C，三维细胞培养。

3 水凝胶阵列化制备及应用

水凝胶是一种以水为分散介质的网状交联聚合物，可以为细胞生长提供适宜的微环境。与在二维平面细胞培养相比，水凝胶更能模拟体内细胞生长的真实环境。利用液滴微阵列，可以实现微型化水凝胶基质的高通量阵列化制备，从而可用于细胞培养及复杂微环境的筛选。水凝胶的尺寸取决于亲水点的大小，并且可形成自支撑微团，比塑料孔板更加灵活及实用。

图3 基于液滴微阵列的水凝胶阵列用于细胞培养

4 纳米粒子自组装

由于纳米粒子具有独特的尺寸依赖效应，制备具有特定维度的纳米粒子阵列对于基础研究及工业生产都具有十分重要的意义。目前来说，复杂形貌的大面积二维粒子图案化制备仍是极大的挑战。结合液滴微阵列技术，利用纳米粒子分散液在图案化浸润性基底表面的不连续去浸润过程可以制备分散液的微阵列。待溶剂蒸发完成后，可实现大面积、形貌规则可控的纳米粒子组装体制备。此外，结合喷墨打印技术，可实现三维纳米微结构的制备。

图4 亲疏水图案化基底用于纳米粒子自组装

5 液液界面在化学反应及检测中的应用

液液界面对于萃取、催化及胶体化学等领域具有非常重要的应用。然而对于液液界面的面积及形状的控制仍十分困难，且仅限于完全不互溶的两相界面。利用图案化浸润性基底形成的液滴微阵列能够形成各种复杂形状的两相界面，为该问题提供了很好的解决办法。例如，首先利用醋酸铜水溶液在图案化浸润性表面上的各向异性去浸润过程制备水相液滴微阵列，然后将该基底浸入苯三酸的辛醇溶液中。此时，MOFs的成核和生长过程仅发生在水/油相界面处，从而可以通过相界面形状控制MOFs纳米束的宏观形貌。此外，由于微液滴阵列具有样品消耗量小、扩散速度快、比表面积大等优点，因而能够容易实现大量平行分析及检测过程的实施。

图5 液滴微阵列制备的可控液液相界面用于化学合成反应

6 结论及展望

实验过程的平行化和微型化是生物、化学、制药、生物工程等领域发展的主流方向。其中，微型化过程能够显著加速分析过程，减少实验样品的消耗。目前主流的筛选方法是利用96或384微孔板，而这会导致化学试剂、细胞及实验耗材的巨大浪费。微孔板技术需要昂贵的自动化系统，这也限制了其广泛应用。此外，通过缩小孔的体积使孔板进一步微型化也不现实，因为当体系尺寸足够小时，毛细力及表面张力发挥的作用越来越显著。反过来想，利用表面张力及毛细力能够控制液滴在图案化表面的形貌及位置，这为液滴的微型化提供了新思路。液体在浸润性图案化表面能够发生非连续去浸润行为，形成大量的体积及形貌可控的微液滴阵列。该过程不需要昂贵设备，并且操作简便易行，必将在多种应用领域具有十分光明的应用前景。

液滴微阵列技术也存在着不少问题，未来发展方向主要包括基底表面的化学性质及表面形貌精确可控，所制备微液滴体积的重复性。此外，当制备的微液滴体积足够小时，蒸发效应会变得十分显著，这也是需要考虑及解决的重要问题。

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