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  近日，加拿大西安大略大學楊軍教授（目前在電子科技大學深圳高等研究院工作）課題組提出了一種磁驅動的“毛細容器”來實現三維流體界面創建和可編程動態操縱。通過調控“毛細容器”的浸潤性，在空氣、水和油中構建了預定尺寸和幾何形狀的 3D 流體界面。通過調整毛細容器的結構和磁場運動，實現了多種靈活的運動模式和操縱。同時，利用毛細容器遠程操縱了選擇性流體收集和多種化學反應，證明了其在不同流體體系中的可行性。結合界面膠凝反應，容器可快速實現液體封裝，并生成各種自支撐 3D 膜結構。利用此液體封裝過程，演示了核黃素（維生素 B2）的緩釋過程。與傳統微流體設備相比，毛細容器在流體處理和生物應用方面具有一些獨特的優勢。例如：易于制造和使用，消除了氣泡捕獲和堵塞問題；適用于多細胞球體和組織切片等大型生物樣品；可獨立操縱捕獲的目標樣品；可選擇性提取分析和局部刺激目標樣本；可創建穩定的 3D 流體界面，為生物流體界面研究提供平臺。此外，與通常的開放式微流體設備相比，毛細容器簡單易于使用，可根據不同需求輕松實現定制，無需復雜和昂貴的設備。因此，該多功能毛細容器將為開放微流體、界面化學和生物醫學工程提供全新的研究平臺。

  流體界面，包括氣-液界面和液-液界面，在自然界中無處不在并廣泛應用于工業應用中。它們可以是空氣中的水滴、水下的氣泡、水油乳液、肥皂泡沫等。流體界面上物理參數的突變可觸發擴散、反應、吸附、不穩定性、蒸發、自組裝和聲共振等基本界面過程。這些過程是化學、物理學、生物學和材料科學中眾多現象的研究基石。例如，蒸發是水循環、能量轉換、高分辨率印刷和表面圖案化的重要驅動力。氣泡的聲共振已被廣泛用于超聲成像、聲鑷和超材料。界面反應和擴散是化學合成、藥物釋放、提取和分離的基礎。吸附有利于水處理、泡沫浮選和食品加工。靈活構建流體界面，有助于人們更好地理解、控制和利用這些重要的過程，對推進界面過程研究和技術革新至關重要。然而，由于流體的不穩定性和流動性，流體界面的精確控制仍面臨巨大的挑戰，尤其是穩定三維流體界面的創建及其可編程動態操縱。

  在現有技術中，微流體設備一般只能制備簡單的球形液滴、氣泡等。為了實現復雜流體界面的制備，在作者之前的研究中，他們證明了調控二維泡沫演化可以形成復雜的二維氣液界面 (Nat. Commun. 2017, 8, 14110)。利用微結構及浸潤性調控，可實現幾十種不相溶流體間的界面圖案化 (Adv. Mater. 2018, 30, 1802172)。通過Cassie 和Wenzel態交替出現，可實現氣泡圖案化制備等（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 12, 1757; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906984）。但這些通過固體結構構建的流體界面難以進行動力學調控。為了研究流體界面的動態操縱，他們還實現了界面馬蘭戈尼流動的調控及應用（Angew. Chem. 2020, 132，23892；ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 2, 3454）。然而，目前復雜三維流體界面的創建和動態操縱還未被實現。據此，本文提出了一種磁驅動“毛細容器”來靈活構建各種三維流體界面，并實現了多種運動模式和動態操縱。

本文要點

要點一：三維流體界面創建原理以及“毛細容器”的設計原則

  如圖1所示，磁驅動“毛細容器”由若干磁珠和一個3D打印固體框架構成。當毛細容器穿過不相溶流體1和2的界面時，框架中的流體1可被流體2取代，或被框架捕獲并在流體2中形成三維流體界面。三維流體界面能否形成取決于固體框架、流體1和流體2三者之間的界面能關系，具體表現為固體框架與流體1和2的浸潤性。當固體框架更容易被流體1浸潤時，可形成三維流體界面，反之則發生流體取代。通過調控框架的表面浸潤性和幾何結構，文中展示了八種不相溶三維流體界面的創建。

圖1. 三維流體界面創建原理

  此外，通過理論分析、數值模擬并結合實驗結果，文中給出了實現磁驅動三維流體界面構建的邊界條件。磁驅動毛細容器必須滿足一定的浸潤性、幾何條件和磁力要求，才能克服表面張力和摩擦阻力來創建三維流體界面。在滿足這些邊界條件下，圖2展示了毛細容器創建的不同尺寸和幾何形狀的三維水油界面。 

圖2. “毛細容器”的設計原則

要點二：“毛細容器”的多種運動模式及動態操縱

  通過改變磁珠分布和磁場運動，毛細容器不僅可以創建穩定的三維流體界面，還可以實現多種運動模式。隨著磁珠數量的增加，毛細容器的運動自由度逐漸減小。圖3中展示了復雜的旋轉加翻轉、前后翻轉、單軸旋轉以及平動運動。此外，毛細容器還可以實現反重力運動和液滴釋放。這些動態操縱在未來有望應用于多種生物技術中，如細胞遞送，微生物觀察和篩選，以及精準靶向治療等。

圖3. “毛細容器”的多種運動模式及動態操縱

要點三：“毛細容器”在微流體、化學反應、液體封裝及物質緩釋及遞送中的應用

  磁驅動毛細容器可實現靈活的流體操縱，并適用于多種不相溶流體體系。如圖4所示，利用合適浸潤性的磁驅動毛細容器可實現選擇性流體收集，如在水中收集氣泡，在油中收集水。這些操縱可應用于微流體管道中氣泡的消除，以及開放微流體中目標流體的收集。毛細容器也可實現遠程化學反應操縱，如油中無機催化反應，水中有機反應。由于毛細容器具有流體捕獲和存儲的功能，可將其應用于多步反應的研究。這種遠程操縱機制將促進許多涉及危險或有毒反應物或產物的化學反應研究，而液體中反應操縱則有利于使用空氣敏感試劑的應用。

圖4.“毛細容器”在微流體和化學反應中的應用

  最后，通過結合界面凝膠反應，毛細容器可快速方便的實現液體封裝。如圖5所示，通過使用不同幾何形狀的框架，生產出了多種幾何形狀的3D自支撐膜結構。以核黃素（維生素B2）為例，演示了毛細容器在物質緩釋中的應用。在未來，磁驅動毛細容器有望成為執行高效液體包裝、輸送、儲存和 3D 膜生產的多功能平臺，并為生物封裝技術，液滴實驗，藥物載體，生化微反應器提供新的研究思路。

圖5.“毛細容器”在液體封裝及藥物釋放及遞送中的應用

  相關研究論文于 8 月 18 日以“Magnetic-actuated ‘capillary container’ for versatile three-dimensional fluid interface manipulation”為題發表在期刊 Science Advances ( Sci. Adv. 2021; 7 : eabi7498)上。論文的第一作者為加拿大西安大略大學博士生張藝媛，通訊作者是加拿大西安大略大學楊軍教授和黃占東博士。此工作還受到了中國科學院化學研究所綠色印刷實驗室宋延林課題組老師和同學的指導和幫助。

  原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/34/eabi7498