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脂質體作為多種治療劑的載體，在癌癥治療及多模態(tài)成像等領域展現(xiàn)出潛在優(yōu)勢，但其傳統(tǒng)制備存在穩(wěn)定性差、靶向性不足、制備工藝復雜且重復性差等問題。為突破這些限制，微流體技術已發(fā)展成為一種高效且成本效益高的脂質體合成新途徑。微混合器作為微流控芯片的重要組成部分，在生物工程、醫(yī)學檢測和化學反應等領域廣泛應用，如聚合酶鏈式反應（PCR）、疾病診斷、核酸測序、藥物輸送和細胞分離等。與宏觀反應系統(tǒng)相比，微混合器具有快速分析、極低試劑消耗量、可控液體流動、高響應靈敏度等優(yōu)點。在微混合器中需混合多種流體，其性能優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)工作效率和結果準確性，因此提高微混合器的混合效率成為當前研究熱點之一。

針對以上問題，魯東大學陳雪葉教授團隊合作開發(fā)了一種基于海岸帶分形的壁式微混合器，實現(xiàn)了精準控制脂質體的制備。該研究以微通道側壁的擋板結構（PWFB）作為混合單元，并采用交錯的雙側壁交叉排列（SWF）布局，極大地提升了混合效率。研究通過數(shù)值模擬和實驗驗證了其高效混合性能，并應用于脂質體的制備中，為微流控技術在生物醫(yī)學領域的應用提供了新的思路和方法。

相關成果以“A novel micromixer based on coastal fractal for manufacturing controllable size liposome"為題發(fā)表在學術期刊《PHYSICS OF FLUIDS》上，魯東大學機械工程系碩士研究生陳鑫坤為本文的第一作者，陳雪葉教授為通訊作者。

通過模擬海岸線的分形結構并將其應用于微混合器設計中，實現(xiàn)了微混合器三維模型的構建（圖1）。

研究團隊通過對微混合器模型進行了嚴格的網(wǎng)格獨立性測試，以確保模擬結果的準確性和可靠性。團隊通過劃分五種不同的網(wǎng)格數(shù)，在微通道出口處設置一條三維橫截面線，研究不同網(wǎng)格數(shù)下橫截面線的速度變化，進行了多次測試和比較。此外，團隊還研究了不同網(wǎng)格尺寸對混合指數(shù)的影響，并將該研究模型的數(shù)值結果與引用的其他研究人員的最相似模型進行了比較。通過多方面的驗證方法和數(shù)據(jù)對比分析，保證了研究結果和結論的科學性和可信度，為進一步研究和應用提供了可靠的基礎（圖2）。

數(shù)值模擬部分主要研究和分析了不同結構參數(shù)下PWFB微混合器的混合效率，通過單目標優(yōu)化的方法優(yōu)化PWFB結構來增加樣品流體的接觸面積和接觸時間。通過比較PWFB的不同高度、不同數(shù)目、不同布置方式和相鄰兩個分形擋板間不同距離的混合效率結果。確定了數(shù)目為6、高度為280μm、間距為87.5μm、交錯式SWF布局的PWFB是最佳的微混合器（圖3）。

為了進一步研究影響PWFB微混合器混合性能的可能因素，團隊對引起微混合器快速混合的因素進行了更深入的研究。確定了PWFB結構對增強分子擴散和混沌對流具有重要作用，顯著提高了微混合器的混合性能。通過PWFB微混合器的模擬濃度分布和八個代表性截面，研究了在低Re和高Re時，PWFB微混合器中不同位置的有效混合性能。從沿微通道方向的濃度曲線分布可以看出，PWFB引起的偏轉現(xiàn)象對促進混合效率的提高具有重要意義（圖4）。

在實驗階段，通過結合3D打印技術的復雜結構成型能力與模塑法高精度成型的特點，進行PWFB微混合器的制備。團隊采用摩方精密nanoArch®P150（精度：25μm）3D打印設備，實現(xiàn)了微通道結構模具的高精度打印，并結合翻模技術制備了PWFB的表面微通道結構（圖5）。

為驗證PWFB微混合器的混合性能，團隊選取藍色染料和黃色染料作為工作流體開展性能驗證實驗，以便實現(xiàn)可視化混合效果。觀察隨著雷諾數(shù)的變化，混合指數(shù)在實驗中的趨勢和數(shù)值模擬所預測的結果一致。

在脂質體制備的應用實驗中，該研究團隊以脂質溶液和緩沖溶液作為工作流體，實現(xiàn)了微流控空白脂質體（MF-BL）的尺寸可控生產(chǎn)。根據(jù)動態(tài)光散射(DLS)表征顯示，MF-BL具有單峰小尺寸分布，六組FRR為10的獨立實驗重復性良好，獲得了粒徑為 165.12 ± 11.6 nm、多分散性指數(shù)（PDI）為0.35±的MF-BL。研究結果充分證明了該制備方法的穩(wěn)定性和可靠性（圖6）。

圖6. (a)當入口通道的流速為14.76µL/min（Re=1）時，在微通道中混合單元位置的模擬和實驗結果的比較。(b)不同Re下的數(shù)值模擬和實驗結果比較。(c)不同Re下PWFB混合器與簡單T形微混合器及Lv等人提出的混合器的混合性能比較。(d)FRR為10的6個批次中脂質體的均徑。（e）FRR為10的脂質體尺寸分布（f）FRR為10的6個批次中脂質體的PDI。

總結：

本研究創(chuàng)新性地提出了一種基于海岸分形的壁式微混合器，該混合器展現(xiàn)出極為優(yōu)異的混合性能。通過數(shù)值模擬與實驗研究，確定了其最佳結構配置，并成功應用于脂質體的制備。這一成果為微流控技術在脂質體制備以及其他生物醫(yī)學領域的應用，提供了至關重要的參考和依據(jù)。未來，研究團隊將持續(xù)致力于進一步拓展微混合器在納米醫(yī)學載體等領域的應用，有望為相關領域的發(fā)展帶來全新的突破。