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突破液體種類限制 解決微流控系統(tǒng)簡化難題 具備多領(lǐng)域應(yīng)用前景

  在一塊幾平方厘米大小的芯片上集成生物和化學(xué)領(lǐng)域所涉及的基本操作單元，通過微流控技術(shù)完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過程，并對其產(chǎn)物進(jìn)行分析，是近年來日趨熱門的芯片實(shí)驗(yàn)室概述。理想中，芯片實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)崿F(xiàn)包括醫(yī)療檢驗(yàn)在內(nèi)的多種用途，其發(fā)展或?qū)頇z測等儀器的家庭化、普及化。要實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，微流控系統(tǒng)的簡化勢在必行。

  2016年9月8日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系與聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室俞燕蕾教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于光控微流體領(lǐng)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(fā)表。該團(tuán)隊(duì)突破了微流控系統(tǒng)簡化的難題，創(chuàng)造性地采用自主研發(fā)的新型液晶高分子光致形變材料，構(gòu)筑出具有光響應(yīng)特性的微管執(zhí)行器，可通過微管光致形變產(chǎn)生的毛細(xì)作用力，實(shí)現(xiàn)對包括生物醫(yī)藥領(lǐng)域常用液體在內(nèi)的各種復(fù)雜流體的全光操控，令其蜿蜒而行甚至爬坡，仿若具現(xiàn)了微尺度下的神奇馭“水”本領(lǐng)。

  該文章第一作者為復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系博士呂久安，通訊作者為俞燕蕾教授，復(fù)旦大學(xué)校友、北京大學(xué)教授陳爾強(qiáng)參與協(xié)作。研究工作得到國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃共同資助。研究成果已申報(bào)中國發(fā)明專利和國際PCT專利。

驅(qū)動(dòng)新機(jī)制：光致形變令毛細(xì)作用力顯“神通”

  微量液體傳輸是涉及諸多領(lǐng)域的重要問題。諸如昂貴液體藥品的無損轉(zhuǎn)移、微流體器件與生物芯片中的液體驅(qū)動(dòng)等，都與之直接相關(guān)。近年來，伴隨微流體芯片的自身尺寸不斷縮小，功能單元數(shù)量日益增多，相應(yīng)的外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備和管路越來越復(fù)雜和龐大。微流控系統(tǒng)的進(jìn)一步簡化成為制約微流體領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸問題，亟待從根本上提出創(chuàng)新性的微流體驅(qū)動(dòng)新機(jī)制。

  據(jù)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(diǎn)成為了在微流體芯片上進(jìn)行微小尺度的流體操控的上選。然而，已報(bào)道的光控液體運(yùn)動(dòng)或多或少存在限制。譬如，利用光誘導(dǎo)的馬蘭戈尼效應(yīng)操控微量液體，需要向樣本添加光響應(yīng)化合物，樣本污染在所難免；利用激光照射液體產(chǎn)生的熱能進(jìn)行操控，可能因溫度變化而影響其在生化領(lǐng)域的應(yīng)用；利用光誘導(dǎo)的表面潤濕性梯度操控微量液體，則只適用于少數(shù)特定液體，且僅可做短程直線運(yùn)動(dòng)，無法滿足實(shí)際需求……驅(qū)動(dòng)路徑單一、驅(qū)動(dòng)距離短、可驅(qū)動(dòng)液體種類有限是現(xiàn)有光控微流體技術(shù)的主要缺陷。可以說，適用性廣泛的光控微流控技術(shù)仍有很大的探索空間，亟待繼續(xù)研發(fā)。

  俞燕蕾教授團(tuán)隊(duì)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(guān)豐富經(jīng)驗(yàn)，利用微管光致形變產(chǎn)生毛細(xì)作用力成為了該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新液體驅(qū)動(dòng)機(jī)制、突破現(xiàn)有機(jī)制限制的基本方向。

  潤濕的液體能夠在軸向不對稱毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)下，自發(fā)向錐形毛細(xì)管的細(xì)端移動(dòng)。脫胎于該條原理，團(tuán)隊(duì)別出心裁地設(shè)計(jì)構(gòu)建出一種管徑可在常用LED可見光源刺激下發(fā)生不對稱變化的微米尺度液晶高分子微管執(zhí)行器，兼具流體通道和驅(qū)動(dòng)泵的雙重功能。通過由管徑變化所誘發(fā)的毛細(xì)作用力變化，利用光來操控微管中液滴運(yùn)動(dòng)的“神通”得以以一種與過往全然不同的方式實(shí)現(xiàn)。

仿生設(shè)計(jì)：從動(dòng)脈血管到新一代液晶高分子材料

  傳統(tǒng)的微流體器件通常采用硅材料、玻璃等非響應(yīng)性材料構(gòu)建。由這些材料構(gòu)筑的微流體器件需要連接許多外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備來完成微量液體的操控。而以往報(bào)道的液晶高分子材料多為交聯(lián)液晶高分子，化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(zhí)行器的實(shí)際加工需要。如何設(shè)計(jì)一種加工性能優(yōu)越、能夠制成微管執(zhí)行器的新型液晶高分子材料？在明確液體驅(qū)動(dòng)機(jī)制后，這一問題曾一度成為俞燕蕾教授團(tuán)隊(duì)思考的重心。

  通過向自然界“取經(jīng)”，團(tuán)隊(duì)留心到，生物動(dòng)脈血管管壁因其層狀結(jié)構(gòu)的存在，可承受高達(dá)2000毫米汞柱的壓強(qiáng)，可謂異常堅(jiān)韌。受此啟發(fā)，仿生設(shè)計(jì)一種全新結(jié)構(gòu)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(huán)易位聚合法，團(tuán)隊(duì)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(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，兼具優(yōu)良的溶液和熔融加工性能，并可自組裝形成類同于生物動(dòng)脈血管的納米層狀結(jié)構(gòu)，擁有良好的機(jī)械性能。其斷裂伸長率可達(dá)傳統(tǒng)交聯(lián)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(tuán)隊(duì)已成功構(gòu)筑出直形、Y形、S形及螺旋形自支撐微管執(zhí)行器，可用于在光照條件下操控不同類型的液體運(yùn)動(dòng)。

圖1 設(shè)計(jì)管狀微型執(zhí)行器。

a, 動(dòng)脈血管結(jié)構(gòu)示意圖；b，新型液晶高分子材料的分子結(jié)構(gòu)；c，在光刺激下，微管由圓柱形形變?yōu)閳A錐形，產(chǎn)生毛細(xì)作用力，推動(dòng)液體向窄端移動(dòng)（示意圖）；d，在梯度衰減的470nm可見光照射下，微管執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)；e，直形、Y形、S形、螺旋形微管執(zhí)行器照片，管徑~0.5 mm。

多領(lǐng)域應(yīng)用：具有開創(chuàng)性意義的系統(tǒng)簡化方案

  基于在微流體器件構(gòu)筑材料及驅(qū)動(dòng)機(jī)制兩方面的創(chuàng)新，俞燕蕾教授團(tuán)隊(duì)的研究成果有效克服了現(xiàn)有光控微流體技術(shù)的不足。水溶液、血清蛋白溶液、細(xì)胞培養(yǎng)液、乙醇、植物油、汽油……其設(shè)計(jì)構(gòu)筑的微管執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)對各種極性和非極性液體、復(fù)雜流體，甚至是生物樣品輸運(yùn)的光控，可謂是一種全新概念的微流控技術(shù)。

  利用該技術(shù)，通過改變光照條件就能夠精確控制液體運(yùn)動(dòng)的方向和速率（高達(dá)5.9 mm s-1），實(shí)現(xiàn)以往無法完成的長程運(yùn)動(dòng)（在直徑為0.5 mm的微管執(zhí)行器中連續(xù)驅(qū)動(dòng)微量液體運(yùn)動(dòng)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(chǎn)生S形和螺旋形運(yùn)動(dòng)軌跡。國外同行專家對此給出了“超越現(xiàn)有的微流體操控技術(shù)，是具有真正開創(chuàng)意義的優(yōu)秀成果（Superior to all existing technologies; very nice piece of work with real openings）”的評價(jià)，并對其未來應(yīng)用前景予以了充分肯定，稱這項(xiàng)技術(shù)必將引起眾多領(lǐng)域科學(xué)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(zhí)行器驅(qū)動(dòng)液體克服重力爬坡；b，在梯度470nm可見光照射下，微管執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)液體產(chǎn)生S形運(yùn)動(dòng)軌跡；c，在梯度470nm可見光照射下，微管執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)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(zhí)行器驅(qū)動(dòng)微量液體捕獲、轉(zhuǎn)運(yùn)微小物體；e，Y形微管執(zhí)行器照片以及其驅(qū)動(dòng)兩個(gè)液柱融合的過程。

  俞燕蕾教授表示，作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究，該微管執(zhí)行器有望在生物醫(yī)藥設(shè)備、生化檢測分析、微流反應(yīng)器、芯片實(shí)驗(yàn)室等諸多領(lǐng)域“大施拳腳”，應(yīng)用價(jià)值相當(dāng)可觀。以生化檢測分析為例，液體的反應(yīng)、分離、純化或都可以通過該微管執(zhí)行器完成。至為重要的是，在實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能之余，微管執(zhí)行器還能為微流控系統(tǒng)“瘦身”。當(dāng)光源成為操控手段，外接驅(qū)動(dòng)設(shè)備不再必要，大幅度系統(tǒng)簡化成為可能。芯片實(shí)驗(yàn)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(bào)道鏈接：http://www.nature.com/nature/journal/v537/n7619/full/nature19344.html?from=groupmessage&isappinstalled=0

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