根據是否需要外力，液滴產生通常包括兩種類型，即被動和主動產生微滴。被動方法不需要外力，微流控芯片結構簡單。液滴的形成主要通過改變微通道結構和兩相速度比來控制。主動方法通過外力產生液滴，通常具有復雜的設備幾何形狀。有關液滴產生的具體原理的更多信息，請參閱之前的綜述。此處介紹了最近的研究報告。

被動液滴生成在被動方法中，微流體兩相流由提供恒定流量的注射泵或由壓力驅動泵控制，而無需額外的能量輸入。在液滴形成過程中，從注射或壓力驅動泵引入的一些能量被轉化為界面能，這會促進液-液界面的不穩定性，使液滴能夠與分散相分離。影響液滴尺寸的物理參數，如橫截面形狀、毛細管數和雷諾數，會影響液滴的形成過程和液滴尺寸。為了研究這些物理因素的影響，Liu等人設計了一種帶有收縮微通道的T形結構，以控制單分散微滴的產生（圖2A）。他們的結果表明，可以在降低流動阻力的情況下產生單尺寸的液滴。此外，他們發現收縮寬度對分散規律有顯著影響，隨著收縮寬度的減小，液滴尺寸趨于減小。相對于經典的T形接頭通道，收縮的T形連接微通道可以產生更小的水滴，其尺寸符合應用于經典T形接頭渠道的尺寸預測公式。

大多數微滴是油-水或水-油滴，通常需要使用有機試劑和表面活性劑，這限制了它們在生物和細胞研究中的廣泛應用。因此，制備不含油和表面活性劑的水包水微滴更為合適。Mazutis團隊提出了一種使用由葡聚糖和丙烯酸酯改性的聚乙二醇組成的雙水相系統的液滴制備方法（圖2B）。他們的方法用于包封革蘭氏陰性和陽性細菌細胞，并測試基因組擴增反應的效率。該系統在良好的生物相容性、靈活性和高通量方面具有明顯的優勢，在微載體制備和組織工程等各種化學和生物應用中具有潛在的用途。然而，在被動液滴生成下封裝大多數細胞的策略取決于使用具有泊松空間分布的細胞，因此，含有單個細胞的微滴數量將非常少。因此，需要進行后分離以獲得含有單細胞的液滴。

近年來，多室微膠囊已被廣泛應用于生物醫學領域，如藥物遞送、癌癥聯合治療、組織再生和限制性酶反應，因為它們允許多個組分被單獨封裝。Mou等人報道了一種基于同軸微流體裝置制備均勻特洛伊木馬狀刺激響應微膠囊的方法（圖2C）。具體來說，使用四乳液法制備均勻的O1/W2/O3/W4/O5微膠囊。每個微膠囊包含兩個刺激響應性水凝膠殼，可以通過殼分解或破裂釋放膠囊隔室中的內容物。制備的微膠囊可以用作控釋和微反應的候選材料。此外，秦的團隊設計了一種流動聚焦微流體裝置，該裝置通過葡聚糖和聚乙二醇從核流和殼流中自發相分離形成穩定的水-水界面，然后在油相剪切的作用下形成多室微膠囊。

主動液滴生成在主動方法中，液滴是通過主動控制在額外能量輸入的幫助下生成的。與被動液滴生成相比，這種方法具有許多優點：（1）它可以靈活地控制液滴尺寸和生產頻率，在某些情況下可以按需生成液滴。相比之下，在被動液滴生成中，幾乎不可能獨立控制液滴的大小和頻率。（2）主動控制下穩定液滴生成所需的時間比被動控制下的時間短得多，產生穩定液滴的時間從被動方法下所需的幾秒甚至幾分鐘縮短到幾毫秒。（3）主動控制提高了雙水相和高粘度流體中液滴形成的魯棒性。

最近在開發主動液滴生成方法方面取得了一些進展，其中使用各種力，包括電、磁、機械、光學和聲學力來操縱微流體以產生液滴。由于其快速的響應速度和與微通道結構的良好兼容性，電場被廣泛應用于液滴的產生。Yin等人展示了一種通過施加直流和交流電場在微通道中精確形成尺寸可控的水包油液滴而無需表面處理的方法（圖3A）。他們發現，在方波電場控制下形成的液滴尺寸與場頻率呈反比線性關系，可以通過調節場的電壓和頻率來改變。電場方法的主要優點是其快速響應、能夠精確控制液滴形成，并且不需要傳統PDMS微通道中所需的表面處理，這大大降低了流體動力學特性要求，解決了液滴形成過程中材料的潤濕性問題。此外，Samlali等人開發了一種基于共面電極組件的混合微流體平臺，用于精確控制單細胞分離的液滴生成。遺憾的是，該系統只能實現十幾個液滴/單細胞的操作，其吞吐量需要提高。

使用磁場產生液滴具有不發熱、操作簡單和避免與樣品接觸的優點。此外，溫度、離子濃度和pH值等環境參數對磁場和磁力的影響很小，這為微流控液滴技術提供了新的方法。Zhang等人提出了一種在T型結微流體裝置（圖3B）66中使用磁場產生液滴的方法，其中永磁體放置在結的一側以形成非均勻磁場。他們探索了兩相流速和磁通密度對液滴尺寸的影響，表明它隨著磁通密度的增加而增加，隨著兩相流比和毛細管數量的增加而減小。鐵磁流體液滴的大小也可以通過改變流聚焦裝置中的方波磁場來調節。利用磁力精確操縱鐵磁液滴為生物、醫學和精密儀器控制領域的廣泛應用帶來了新的前景。

通過使用機械振動器擾動分散相微管，可以實現液滴生產的機械振動。盡管大多數主動液滴生成方法需要將電極等附加組件集成到芯片中，但機械振動依賴于使用芯片外部振動器來干擾微管，從而實現簡單方便的操作。Zhu等人通過測量振動引起的內部流體流動波動，定量描述了受機械振動影響的同軸聚焦微流體通道中液滴的產生（圖3C）。他們發現液滴頻率與振動頻率同步，液滴的大小可以在很大范圍內調節。由于在機械液滴產生下，液滴尺寸對微通道幾何形狀的依賴性非常弱，因此這種方法為克服微通道幾何形狀對液滴尺寸的長期限制提供了一種有效的方法。最近，秦的團隊證明了氣動操作是一種在水滴中可控產水的很好的方法。氣動閥作用于分散相的開關周期以及分散相和連續相的流速精確地影響了其集成微流體系統中微滴的尺寸，表現出高穩定性、可控性和靈活性。

液滴也可以根據需要使用聚焦激光在光學操縱的基礎上產生。正如Delville小組所報告的那樣（圖3D），光在空間上通過局部Marangoni應力迫使液體界面變形，并導致線到液滴的轉變。最近，Wang等人使用波長為1550 nm的聚焦紅外激光研究了液滴產生的控制。他們評估了在不同流速、光束功率和光斑位置下產生的激光控制液滴的特性，并比較了有和沒有激光控制所需的條件。這項工作為理解紅外激光控制液滴的產生及其在微流體液滴技術中的應用提供了全面的資源。

表面聲波被廣泛應用于按需液滴生成，因為它們具有高能量，可以限制沿基材表面傳播，允許有效的流固耦合，并且清潔無污染。Jin等人報道了一種基于聚焦表面聲波驅動微流體的微滴形成方法，并研究了微滴形成的相關機制和過程（圖3E）。他們觀察到，微滴的大小主要取決于聚焦表面聲波的頻率、驅動電壓和分散相的速度。他們的方法克服了一般微流體液滴技術中微通道結構和毛細管數量的限制，具有高度的均勻性，同時縮短了系統響應時間。

此外，還有其他取決于離心和熱效應的主動液滴生成方法。由微流體裝置的旋轉或使用臺式微型離心分離機離心玻璃毛細管引起的離心力分別有助于T形接頭或共流通道中的液滴形成。此外，電加熱和冰袋輔助冷卻引起的液氣相變可以幫助產生尺寸相對較小的微滴，微波加熱可以導致兩種流體界面處拉普拉斯壓力的變化，然后根據需要產生液滴。

在開發用于細胞研究的微流控液滴方法時，制造便利性、液滴生產率和生物相容性都是必須評估的關鍵參數。然而，鑒于對活性液滴生產方法的研究數量有限，尚不清楚哪種方法最適合細胞包封。表1中列出的活性方法都不能最佳地滿足這些條件。例如，激光和高壓電場的生物相容性較差，離心力驅動液滴的形成通常對細胞有害，聲學、磁性和其他外部驅動方法要么涉及相對較慢的生成速率，要么涉及復雜的芯片集成。被動方法在單細胞包封率低和無法按需產生液滴方面存在缺點。然而，這些缺點只反映了當前的發展形勢，并不代表固有的局限性，因為微流控液滴技術用于單細胞封裝的應用仍然不發達。因此，微流控液滴技術在單細胞研究中的應用具有廣闊的研究前景。

免責聲明:文章來源網絡以傳播知識、有益學習和研究為宗旨。轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除。