由遇水膨脹的交聯聚合物網絡組成的超薄水凝膠薄膜，具有類似生物組織的柔軟和保濕特性，在柔性生物傳感器和可穿戴電子產品中發揮著至關重要的作用。然而，實現這種薄膜的高效和連續制備仍然是一個挑戰。

微流控技術可以精確控制微尺度通道內的層流，為超薄水凝膠薄膜的連續、可擴展制備提供了有效的方法。目前，已有研究人員采用合適的成膜方法制備了幾種水凝膠薄膜。例如，Callahan團隊通過控制水凝膠預聚體的流速，并利用紫外線誘導聚合，在微流控通道中制備了具有生物活性梯度的非均相水凝膠薄膜。除了光聚合之外，還可以通過離子交聯和非溶劑誘導相分離（NIPS）等成膜方法獲得聚合物薄膜。例如，Gao團隊開發了一種濕法紡絲方法，通過離子交聯連續制備仿生氧化石墨烯（GO）水凝膠薄膜。這些工作證明了基于微流控層流法的聚合物薄膜開發是可行的。然而，這一領域仍處于起步階段，還有許多問題需要解決。例如，如何精確控制聚合物薄膜——特別是自支撐水凝膠薄膜的厚度，仍然具有挑戰性。

據麥姆斯咨詢報道，近期，武漢理工大學的研究人員介紹了一種基于微流控層流法的自支撐超薄水凝膠薄膜的簡易、可擴展制備策略。與傳統方法相比，微流控層流法在制備高均勻性的水凝膠薄膜和保持薄膜結構完整性方面具有優勢，并且不需要支撐基底和復雜的設備。同時，通過調整微流控通道的高度，該策略可以精確控制水凝膠薄膜的厚度（15 μm ± 0.2 μm ~ 39 μm ± 0.5 μm），并具有大規模生產的潛力。相關研究成果以“Microfluidic-Based Continuous Fabrication ofUltrathin Hydrogel Films with Controllable Thickness”為題，發表在Polymers期刊上。

圖1 利用軟光刻和復制技術制備的微流控器件

圖2 （a）海藻酸鈣（CA）水凝膠薄膜的連續制備示意圖，其步驟包括在微通道中產生層流，在水浴中成膜和薄膜收集；（b）海藻酸鹽與鈣離子（Ca2?）交聯，將層流轉化為海藻酸鈣水凝膠薄膜

除了厚度之外，微流控層流的寬度也可以通過擴展微通道的寬度來調節，而微通道的寬度是由初始設計的微通道圖案決定的。為了進行驗證，研究人員制備了三種不同寬度的微流控器件，如圖3a所示。相應地，隨著微通道寬度的增加，水凝膠薄膜的寬度從0.7 cm ± 0.1 cm增加到2.2 cm ± 0.1 cm（圖3b）。需要注意的是，制備的水凝膠薄膜的寬度略小于微通道的寬度（圖3c）。這可能是由于微通道邊緣附近的層流速度接近于零，從而使層流寬度變窄。盡管如此，通過進一步增加微通道的寬度，可以很容易地生產出大面積的、具有更大實際應用潛力的水凝膠薄膜。

圖3 超薄海藻酸鈣（CA）水凝膠薄膜的寬度控制

圖4a為利用微流控層流法制備的長10 cm、寬2 cm的超薄海藻酸鈣水凝膠薄膜的光學圖像。為了進行對比，研究人員利用傳統薄膜澆鑄法制備了海藻酸鈣水凝膠薄膜（圖4b）。結果表明，利用海藻酸鈣水凝膠薄膜在不同位置的截面熒光圖像可以識別出薄膜澆鑄法制備的水凝膠薄膜表面的不均勻性。相比之下，利用微流控層流法制備的水凝膠薄膜在精確控制膜厚和均勻性方面具有顯著的優勢。此外，得益于微流控層流的原位交聯形成的自支撐薄膜，可以最大程度地保持水凝膠薄膜的結構完整性。這一過程對于傳統方法來說是相當困難的，因為所生產的水凝膠薄膜需要從支撐基底上剝離到獨立狀態，這通常會導致薄膜的破壞，特別是對于超薄樣品。因此，微流控層流法不僅可以精確控制膜厚，使得薄膜具有高均勻性，而且在保持超薄水凝膠薄膜的結構完整性方面具有優勢。

圖4 微流控層流法與薄膜澆鑄法制備的超薄海藻酸鈣水凝膠薄膜的均勻性比較：（a）微流控層流法和（b）薄膜澆鑄法制備的水凝膠薄膜的表面和截面光學圖像

此外，除了經典的化學交聯水凝膠外，研究人員還采用微流控層流法研究了非溶劑誘導相分離形成的聚合物薄膜。圖5a是通過非溶劑誘導相分離工藝制備聚合物薄膜的示意圖。該工藝可應用于各種聚合物。與鈣離子誘導交聯制備的水凝膠薄膜相比，非溶劑誘導相分離制備的聚合物薄膜的厚度比微流控通道薄，如圖5b和圖6a所示。此外，研究人員還對所制備的聚合物薄膜的力學性能進行了評價。圖5c為微流控層流法制備的聚酰亞胺（PI）薄膜的典型應力-應變曲線。厚度為2 μm ± 0.2 μm的聚酰亞胺薄膜抗拉強度為170 MPa ± 20 MPa。相對較高的抗拉強度可歸因于其致密的結構，如圖5b所示的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和聚酰亞胺薄膜的孔徑分布表征證明了這一點。此外，由于結構致密，制備的聚酰亞胺薄膜具有透明的性質。

圖5 用非溶劑誘導相分離（NIPS）工藝制備聚合物薄膜的微流控層流方法

隨后，通過非溶劑誘導相分離微流控層流法，該研究還獲得了表面光滑、均勻性高的聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜。與結構致密的聚酰亞胺薄膜相比，得到的聚偏氟乙烯薄膜具有明顯的疏松結構和多孔結構（圖6a）。這種結構特征導致了其相對較低的抗拉強度（圖6b）。此外，如紫外-可見光譜所示（圖6c），聚偏氟乙烯薄膜呈現白色不透明狀，完全阻擋了被覆蓋圖案的視野，并顯示出低透光率。總體而言，以上結果進一步證明了微流控層流法在制備非溶劑誘導相分離形成的常規聚合物薄膜上是通用的，并且可以獲得高度均勻的結構形態，從而進一步表明了微流控層流法在制備先進聚合物薄膜中的普適性。

圖6 （a）非溶劑誘導相分離（NIPS）工藝制備的微流控層流法制備聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜的光學和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（b）典型應力-應變曲線和（c）聚偏氟乙烯薄膜的透光率

綜上所述，該研究提出的基于微流控層流法的水凝膠薄膜制備策略提供了一條簡單的途徑，能夠以通用、可操縱和可擴展的方式生產先進的聚合物薄膜，并將促進聚合物薄膜在生物傳感器和可穿戴電子產品中的應用。

審核編輯：劉清