微凝胶是一类具有溶胀能力以及溶剂保持能力的微纳米级水凝胶颗粒,利用其多孔溶胀的特性,一类具有高渗透性、高生物相容性的微米级培养单元即可实现构造。活细胞或微组织的引入使这类微单元具有良好的生物活性,使其在细胞递送、细胞治疗、组织重构、3D打印等领域中具有重要的应用前景。已有的基于微模具、微流控技术的载细胞微凝胶(cell-laden microgel)制造工艺已经能够初步达到实验室水平的组织工程、细胞治疗研究需求。然而,这类传统制备工艺复杂的生产工序、较低的生产效率以及较高的生产成本,仍然极大阻碍了这一技术从实验室水平向临床应用领域的发展。因此,本文提出了一种以微流控液滴技术为基础,结合运用亚稳态乳液体系的生产工艺,利用亚稳态乳液短暂的稳定时间窗口,实现载细胞微液滴的生成以及微凝胶的固化,并在乳液自发融合的过程中实现载细胞微凝胶的分离,从而一步完成载细胞微凝胶生产与分离工序。此外,结合微流控集成策略,本文构建了一套能在单芯片内实现微凝胶制备以及分离的载细胞微凝胶生产工艺,并在保持高细胞活性的条件下实现了载细胞微凝胶的连续高通量生产。首先,本文创新性的使用了一类两性短链氟化醇(PFAs)作为表面活性剂,并以此构建能够短暂保持稳定的亚稳态乳液体系。区别于可长期保持稳定的传统乳液体系,使用亚稳乳液体系制备微凝胶颗粒时,两相间较低的界面张力能够实现微液滴的均匀稳定制备,并在液滴接触前的短暂稳定窗口内完成海藻酸水凝胶(Alginate)的交联固化过程;同时,在微液滴接触后,其亚稳特性可使乳液立刻完成破乳步骤,以达到产品分离的目的。因此,载细胞微凝胶的制备与分离工序可在单芯片内一步完成。为保证乳液破乳前微凝胶颗粒能够完成交联固化反应,通过计算推导,本文探究并预测了单分散液滴在微通道内的融合条件,并通过实体芯片构建证实了通道结构对液滴融合的控制能力,以此实现亚稳乳液在微通道内的可控破乳操作。通过对这类表面活性剂的物理特性以及生物相容性方面进行考察,本文证明了其构建的亚稳乳液体系具有良好的生物相容性,其中包埋于微凝胶内的小鼠间充质干细胞(rat MSC)的细胞存活率>98%),并优化了其在载细胞微凝胶制备过程中生产参数。在此基础上,基于计算流体力学(CFD)流量场以及压力场模拟结果,本文设计了一种可包含80个液滴生产单元的集成化芯片模型。根据已有文献对多通道进行集成化的设计准则,本文首先推导出了针对本设计模型的流体阻力分布要求。同时,本文使用COMSOL软件模拟了二维条件下通道内液相的压力与流速分布情况,并在结合集成化设计准则后,对通道整体以及细节结构进行了逐步优化,使其能够完全满足设计准则。利用微加工技术,制备了以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基材的集成芯片,并通过扫描电子显微镜(SEM)、超景深三维显微镜等手段表征并证明了成品芯片具有极高的结构精度。进一步实验证明,使用该芯片可以实现高粒径均匀度(coefficient of variation,CV=3.40%)的微液滴连续稳定生产。结合水凝胶体系进一步调整实际生产参数并引入亚稳态乳液体系后,可在百倍于传统生产工艺的产量(10ml/h)条件下,连续稳定制备粒径分布小于4%的载细胞微凝胶产品。在细胞体外培养实验中,证实了微凝胶内细胞存活率大于95%,并保持了良好的细胞功能,以此证明结合亚稳乳液体系的载细胞微凝胶高通量制备工艺所具有的高生物相容性。综上所述,本研究在保持载细胞微凝胶制备过程的高生物相容性前提下,结合运用亚稳乳液体系以及集成化芯片模型,构建了一套完整的载细胞微凝胶高通量生产体系。这代表了载细胞微凝胶生产技术的一个重大进步,同时也为再生医学、组织工程的进一步的研究与应用提供了有力的工具。