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突破液體種類限制 解決微流控系統簡化難題 具備多領域應用前景

  在一塊幾平方厘米大小的芯片上集成生物和化學領域所涉及的基本操作單元，通過微流控技術完成不同的生物或化學反應過程，并對其產物進行分析，是近年來日趨熱門的芯片實驗室概述。理想中，芯片實驗室能夠實現包括醫療檢驗在內的多種用途，其發展或將帶來檢測等儀器的家庭化、普及化。要實現這一設想，微流控系統的簡化勢在必行。

  2016年9月8日，復旦大學材料科學系與聚合物分子工程國家重點實驗室俞燕蕾教授團隊關于光控微流體領域的最新研究成果：Photocontrol of fluid slugs in liquid crystal polymer microactuators （Nature，2016，DOI 10.1038/nature19344）于《自然》（Nature）雜志發表。該團隊突破了微流控系統簡化的難題，創造性地采用自主研發的新型液晶高分子光致形變材料，構筑出具有光響應特性的微管執行器，可通過微管光致形變產生的毛細作用力，實現對包括生物醫藥領域常用液體在內的各種復雜流體的全光操控，令其蜿蜒而行甚至爬坡，仿若具現了微尺度下的神奇馭“水”本領。

  該文章第一作者為復旦大學材料科學系博士呂久安，通訊作者為俞燕蕾教授，復旦大學校友、北京大學教授陳爾強參與協作。研究工作得到國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金重點項目、上海市優秀學術帶頭人計劃共同資助。研究成果已申報中國發明專利和國際PCT專利。

驅動新機制：光致形變令毛細作用力顯“神通”

  微量液體傳輸是涉及諸多領域的重要問題。諸如昂貴液體藥品的無損轉移、微流體器件與生物芯片中的液體驅動等，都與之直接相關。近年來，伴隨微流體芯片的自身尺寸不斷縮小，功能單元數量日益增多，相應的外部驅動設備和管路越來越復雜和龐大。微流控系統的進一步簡化成為制約微流體領域發展的瓶頸問題，亟待從根本上提出創新性的微流體驅動新機制。

  據呂久安介紹，可以精密聚焦，并能夠做到非接觸控制的光，恰以其如上特點成為了在微流體芯片上進行微小尺度的流體操控的上選。然而，已報道的光控液體運動或多或少存在限制。譬如，利用光誘導的馬蘭戈尼效應操控微量液體，需要向樣本添加光響應化合物，樣本污染在所難免；利用激光照射液體產生的熱能進行操控，可能因溫度變化而影響其在生化領域的應用；利用光誘導的表面潤濕性梯度操控微量液體，則只適用于少數特定液體，且僅可做短程直線運動，無法滿足實際需求……驅動路徑單一、驅動距離短、可驅動液體種類有限是現有光控微流體技術的主要缺陷。可以說，適用性廣泛的光控微流控技術仍有很大的探索空間，亟待繼續研發。

  俞燕蕾教授團隊長期從事液晶高分子材料及其光致形變性能的研究。立足于相關豐富經驗，利用微管光致形變產生毛細作用力成為了該團隊創新液體驅動機制、突破現有機制限制的基本方向。

  潤濕的液體能夠在軸向不對稱毛細作用力驅動下，自發向錐形毛細管的細端移動。脫胎于該條原理，團隊別出心裁地設計構建出一種管徑可在常用LED可見光源刺激下發生不對稱變化的微米尺度液晶高分子微管執行器，兼具流體通道和驅動泵的雙重功能。通過由管徑變化所誘發的毛細作用力變化，利用光來操控微管中液滴運動的“神通”得以以一種與過往全然不同的方式實現。

仿生設計：從動脈血管到新一代液晶高分子材料

  傳統的微流體器件通常采用硅材料、玻璃等非響應性材料構建。由這些材料構筑的微流體器件需要連接許多外部驅動設備來完成微量液體的操控。而以往報道的液晶高分子材料多為交聯液晶高分子，化學交聯網絡的存在又使得這些材料不溶不熔，無法滿足三維立體形狀執行器的實際加工需要。如何設計一種加工性能優越、能夠制成微管執行器的新型液晶高分子材料？在明確液體驅動機制后，這一問題曾一度成為俞燕蕾教授團隊思考的重心。

  通過向自然界“取經”，團隊留心到，生物動脈血管管壁因其層狀結構的存在，可承受高達2000毫米汞柱的壓強，可謂異常堅韌。受此啟發，仿生設計一種全新結構的線型液晶高分子材料最終成為問題的解決之道。通過開環易位聚合法，團隊成功制備出超高分子量的新型光致形變液晶高分子材料。這種線型液晶高分子沒有化學交聯結構，兼具優良的溶液和熔融加工性能，并可自組裝形成類同于生物動脈血管的納米層狀結構，擁有良好的機械性能。其斷裂伸長率可達傳統交聯液晶高分子的100倍，能夠以簡便的溶液加工法制成多種形狀，是新一代高性能液晶高分子光致形變材料。采用該材料，俞燕蕾教授團隊已成功構筑出直形、Y形、S形及螺旋形自支撐微管執行器，可用于在光照條件下操控不同類型的液體運動。

圖1 設計管狀微型執行器。

a, 動脈血管結構示意圖；b，新型液晶高分子材料的分子結構；c，在光刺激下，微管由圓柱形形變為圓錐形，產生毛細作用力，推動液體向窄端移動（示意圖）；d，在梯度衰減的470nm可見光照射下，微管執行器驅動液體運動；e，直形、Y形、S形、螺旋形微管執行器照片，管徑~0.5 mm。

多領域應用：具有開創性意義的系統簡化方案

  基于在微流體器件構筑材料及驅動機制兩方面的創新，俞燕蕾教授團隊的研究成果有效克服了現有光控微流體技術的不足。水溶液、血清蛋白溶液、細胞培養液、乙醇、植物油、汽油……其設計構筑的微管執行器可以實現對各種極性和非極性液體、復雜流體，甚至是生物樣品輸運的光控，可謂是一種全新概念的微流控技術。

  利用該技術，通過改變光照條件就能夠精確控制液體運動的方向和速率（高達5.9 mm s-1），實現以往無法完成的長程運動（在直徑為0.5 mm的微管執行器中連續驅動微量液體運動超過50 mm），甚至可以使微量液體攪拌、融合、克服重力爬坡，及產生S形和螺旋形運動軌跡。國外同行專家對此給出了“超越現有的微流體操控技術，是具有真正開創意義的優秀成果（Superior to all existing technologies; very nice piece of work with real openings）”的評價，并對其未來應用前景予以了充分肯定，稱這項技術必將引起眾多領域科學家的廣泛興趣。

圖2 光控微量液體。
a，在梯度470nm可見光照射下，微管執行器驅動液體克服重力爬坡；b，在梯度470nm可見光照射下，微管執行器驅動液體產生S形運動軌跡；c，在梯度470nm可見光照射下，微管執行器驅動二苯甲酮在乙醇中的溶解；d，在梯度470nm可見光照射下，微管執行器驅動微量液體捕獲、轉運微小物體；e，Y形微管執行器照片以及其驅動兩個液柱融合的過程。

  俞燕蕾教授表示，作為一項基礎性研究，該微管執行器有望在生物醫藥設備、生化檢測分析、微流反應器、芯片實驗室等諸多領域“大施拳腳”，應用價值相當可觀。以生化檢測分析為例，液體的反應、分離、純化或都可以通過該微管執行器完成。至為重要的是，在實現相應功能之余，微管執行器還能為微流控系統“瘦身”。當光源成為操控手段，外接驅動設備不再必要，大幅度系統簡化成為可能。芯片實驗室的高度集成化追求有希望借助其力量邁出嶄新的一步。

  Nature報道鏈接：http://www.nature.com/nature/journal/v537/n7619/full/nature19344.html?from=groupmessage&isappinstalled=0

  下載：論文PDF版（英文）