本报告旨在向学术界同仁介绍一篇发表于Microsystems & Nanoengineering期刊（2026年第12卷，第53期）的重要综述文章。该文章标题为 “Droplet Microfluidics for Biomedical Applications: Emerging Trends and Future Developments” 。主要作者包括Li Ma、Xiong Zhao、Junsheng Hou、Yaxuan Xiao、Xinlan Lu、Zhenzhen Chen、Jinjia Wei以及通讯作者Nanjing Hao。作者团队主要来自西安交通大学化学工程与技术学院、机械工程学院等机构。
这篇文章是一篇关于液滴微流控（droplet microfluidics）技术在生物医学领域应用的全面性综述。其核心主题是系统总结过去二十年，特别是近年来，利用液滴微流控技术制备高价值天然微球（natural microspheres）的研究进展，并深入探讨其工作原理、表面改性技术、微球制备方法、代表性生物医学应用、当前挑战以及未来发展方向。
论文的主要论点阐述如下：
第一，液滴微流控技术因其独特优势成为制备先进功能材料的强大平台。 文章开篇即明确指出，基于液滴的微流控技术在过去的二十年中取得了巨大进展。其核心优势在于能够在微尺度上实现对流体流动的精确控制和对液滴的高效操控。这些优势具体体现在：极大的比表面积带来了极高的传质和传热性能；快速高效的混合能力；极低的样品消耗量；以及对整个流体流动过程的高度可控性。这些独特的优点，使得液滴微流控超越了传统制备方法（如乳化交联、反向悬浮聚合、机械搅拌等）的局限，成为合成具有先进功能的高端、多功能材料（尤其是微球/微凝胶）最具前景的技术之一。它为众多生物医学应用，如药物递送、细胞封装、疾病诊断和治疗等，提供了巨大的可能性。
第二，液滴生成机理与微器件表面修饰是技术实现的基础，其调控至关重要。 文章用了相当篇幅深入剖析液滴在微尺度下的生成机制。在微通道中，由于特征尺寸小（1–1000 μm），界面张力、粘性剪切力取代重力和惯性力成为主导液滴形成的主要力。文章通过引入无量纲参数，如雷诺数（Reynolds number, *Re*，惯性力与粘性力之比）、毛细管数（capillary number, *Ca*，粘性力与界面张力之比）和韦伯数（Weber number, *We*，惯性力与界面张力之比）来量化分析这一过程。液滴的形成模式（挤压、滴落、射流）受几何结构、流体物理性质和操作条件共同控制。文章系统总结了四种典型乳液体系的生成：水包油（Water-in-oil, W/O）、油包水（Oil-in-water, O/W）、水包水（Water-in-water, W/W）以及多重乳液（Multiple emulsion）。特别指出，水包水体系（通常基于聚合物-聚合物或聚合物-盐的含水两相系统，Aqueous Two-Phase System, ATPS）由于环境温和，对生物分子友好，备受关注，但其极低的界面张力使得生成单分散液滴成为挑战，常需借助外部力场（如声、电、磁）辅助。 同时，微器件表面的润湿性（亲水/疏水）直接决定了其适用于生成何种类型的乳液。文章详细综述了针对微通道的表面改性技术，这些技术主要从化学组成（如引入功能基团）和物理粗糙度（如激光、等离子体处理）两方面改变表面性质。例如，通过化学气相沉积（CVD）用全氟硅烷处理可获得超疏水表面，用于稳定水包油液滴；而通过二氧化硅纳米颗粒涂层或亲水表面活性剂浸泡，则可将疏水的聚合物（如PDMS）通道改性为亲水，用于生成油包水液滴。此外，表面活性剂的添加不仅是调节界面张力、稳定液滴的关键，其种类选择（如生物相容性的Pico-Surf™）也直接关系到后续生物应用的安全性与可行性。
第三，微器件的几何结构设计从简单到集成，是实现可控合成与高通量生产的关键。 文章系统梳理了用于液滴生成的各类微流体器件结构。被动的液滴生成方法依赖于特定的几何结构来引导流体破碎，主要包括T型结（T-junction）、Y型结、流动聚焦（flow-focusing）和同轴（co-axial）结构等。其中，T型结结构简单，在液-液微分散中应用最广；而同轴和流动聚焦结构更适用于制备具有核壳结构的微球或微胶囊。主动的液滴生成方法则借助外部场（如磁场、电场、声场、光场）来主动控制液滴的形成与行为，具有更高的灵活性和可集成性。 一个核心的挑战是如何将实验室规模的液滴微流控技术转化为工业化生产。文章重点介绍了面向高通量制备的集成化微器件设计策略。例如，通过设计精密的流体分配网络和流动电阻，将成千上万个液滴生成单元（如T型结或流动聚焦结构）平行集成在一块芯片上，可以打破单个生成器产量与生成器数量之间的权衡关系，实现乳液或微球的大规模、单分散生产。文中列举了多个里程碑式的工作，如集成了10,260个液滴生成器的芯片，实现了聚己内酯（polycaprolactone）微球高达277克/小时的生产速率，且变异系数（CV）小于3%；以及利用3D打印技术制造的集成有数十个喷嘴的毫微流体器件，可稳定生产水包油和油包水乳液。这些集成化平台为液滴微流控技术的实际应用和商业化铺平了道路。
第四，基于液滴模板的天然生物材料微球制备方法多样，各具特色。 文章的核心内容之一是详细阐述了利用液滴微流控技术制备天然聚合物微球（如壳聚糖、海藻酸钠、葡聚糖、琼脂糖等）的各种方法。这些生物材料因其固有的生物相容性、可生物降解性、无毒、易得和低成本而受到学术界和工业界的广泛关注。主要的固化/成型方法包括： 1. 聚合反应：包括光聚合（如紫外光固化）、热聚合和化学聚合。光聚合反应速度快，可避免微通道堵塞，是常用的方法。文章以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）-葡聚糖（dextran）水凝胶微球的制备为例，说明了如何利用紫外光引发聚合从液滴模板得到结构可控的微球。 2. 离子交联反应：这是制备海藻酸钠、壳聚糖等微球最常用的方法。例如，海藻酸钠液滴遇到钙离子（Ca²⁺）后发生快速交联形成凝胶微球。关键在于如何控制交联剂的加入方式和速率，以避免微通道内过早反应导致堵塞。 3. 溶剂挥发：适用于以挥发性有机溶剂（如氟化油HFE-7500）为连续相的体系。待微球成型后，通过蒸发去除连续相溶剂，即可得到固体微球。该方法已成功用于合成可生物降解的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）纳米/微米球，在药物递送中潜力巨大。 4. 相分离：常用于制备具有各向异性结构的Janus微球或多室微胶囊。利用两种不相容的聚合物溶液在液滴内发生相分离，形成具有明确界面的分区，再通过固化固定其结构。这为创造多功能、多载荷的微载体提供了强大工具。
第五，液滴的精确操控是拓展其复杂生物医学应用的核心能力。 除了生成和固化液滴，在微尺度上对液滴进行灵活操控同样至关重要。文章系统介绍了液滴的多种操控单元，包括运输、混合、分裂、融合、分选和捕获等。这些操作可以通过被动（特殊几何结构）或主动（外部场驱动）方式实现。例如，基于磁场的“微机器人”可以操控含有磁性颗粒的液滴，实现样品的自动分配、混合和运输，已应用于自动化血液检测和病毒测试。基于介电润湿（EWOD）的技术可以编程控制液滴在电极阵列上的运动。基于声表面波的器件能够非接触地操纵液滴和颗粒。这些高效的液滴操控技术不仅大大减少了人工操作误差，还使得在微型化平台上自动完成复杂的多步生物化学流程成为可能，推动了智能化生物医学检测和诊断的发展。
第六，液滴微流控技术在生物医学领域展现出广泛而深入的应用前景。 文章用大量实例阐述了液滴微流控及以其为模板制备的微球在生物医学方面的具体应用，这是本综述的落脚点。 1. 药物递送：利用液滴微流控可以制备尺寸均一、结构可控（如核壳、Janus）的天然高分子微胶囊，实现多种药物的可控共封装与程序化释放。例如，基于水包水两相系统制备的复合海藻酸钠微胶囊，可以借助超声触发实现药物的按需释放，为智能给药系统提供了新思路。 2. 栓塞治疗：与传统方法相比，微流控技术能制备尺寸均一、物理化学性质（如弹性、溶胀度）可精确调控的栓塞微球（如聚乙烯醇PVA微球）。文章指出，微球的弹性、表面粘附性和尺寸是影响栓塞效率的关键参数。具有良好的弹性、较低表面粘附和合适尺寸的微球，在模拟血管的微通道中表现出更佳的栓塞性能，为个性化栓塞疗法提供了材料基础。 3. 疾病诊断与生物检测：液滴作为微反应器，可用于高通量单细胞分析、数字PCR、酶联反应等。集成化的液滴操控平台能够实现从样品引入、分配到检测的全流程自动化，极大地提高了检测通量和准确性，降低了成本和交叉污染风险。文中介绍的磁性机器人自动化病毒测试平台就是一个典型案例。 4. 细胞封装与组织工程：温和的水包水两相系统非常适合包裹活细胞，形成细胞-水凝胶复合微球，用于3D细胞培养、细胞治疗和组织构建。文章展示了如何利用微流控制备多细胞共培养的水凝胶微胶囊，并维持细胞的活性和功能。
第七，当前面临的挑战与未来展望指明了该领域的发展方向。 在全面总结进展的同时，文章也客观指出了液滴微流控技术走向更广泛学术和工业应用所面临的挑战：包括大规模制备的工艺放大问题、适用于不同生物材料的有效固化策略、对微球形态和组成的更精确控制、以及如何处理非牛顿流体、高粘度流体等复杂体系。面向未来，文章提出了几个重要的发展视角：一是继续开发更高效、更稳健的集成化高通量生产平台；二是深化与人工智能（AI）的结合，利用机器学习和深度学习来优化器件设计、预测液滴生成行为并实现过程的智能控制；三是探索更多样化的生物相容性材料和固化机制；四是推动其在更复杂的生物医学场景中的应用，如器官芯片、个性化医疗等。
这篇综述文章的价值与意义在于： 它不仅为读者提供了关于液滴微流控技术在生物医学应用方面从基础原理到前沿进展的深度解读，构成了一幅清晰的技术全景图；更重要的是，它系统性地梳理了“液滴生成-表面修饰-器件设计-微球制备-液滴操控-生物应用”这一完整技术链条的内在逻辑与最新突破。文章不仅总结了成就，更明确了当前的瓶颈和未来的突破口，起到了承前启后的作用。对于从事微流控、生物材料、药物递送、体外诊断和组织工程等领域的研究人员而言，本文是一份极具参考价值的指南，能够启发新的研究思路，并促进不同学科之间的交叉融合，共同推动液滴微流控技术向更高水平、更广范围的应用发展。