我國科學(xué)家研發(fā)出光控微流體新技術(shù)
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發(fā)布時(shí)間：2016-09-19
復旦大學(xué)俞燕蕾教授團隊采用自主研發(fā)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，并通過(guò)微管光致形變產(chǎn)生的毛細作用力，實(shí)現對包括生物醫用領(lǐng)域常用液體在內的各種復雜流體的全光操控，突破了微流體系統簡(jiǎn)化難題，被國際同行譽(yù)為“超越現有的微流體操控技術(shù)，是具有真正開(kāi)創(chuàng )意義的優(yōu)秀成果（Superior to all existing technologies; very nice piece of work with real openings）”。相關(guān)研究成果于2016年9月8日以“Photocontrol of fluid slugs in liquid crystal polymer microactuators”（液晶高分子微執行器中的液體光控運動(dòng)）為題在Nature在線(xiàn)發(fā)表。論文鏈接http://www.nature.com/nature/journal/v537/n7619/full/nature19344.html#videos。相關(guān)工作還申報了中國發(fā)明專(zhuān)利和國際PCT專(zhuān)利。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（項目編號：51225304，21134003，21273048）等項目的資助。
微量液體傳輸是涉及諸多領(lǐng)域的重要問(wèn)題。諸如昂貴液體藥品的無(wú)損轉移、微流體器件與生物芯片中的液體驅動(dòng)等，都與之直接相關(guān)。近年來(lái)，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(dòng)設備和管路越來(lái)越復雜和龐大。微流控系統的進(jìn)一步簡(jiǎn)化成為制約微流體領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。在各種研究中，用光來(lái)控制微流體是方向之一。但過(guò)去的光控微流體，由于材料與驅動(dòng)機制的限制，傳輸速度很慢，適用的液體種類(lèi)也很少，距離實(shí)用化還相當遙遠。要解決這一難題，亟待從根本上實(shí)現微流體器件構筑材料與驅動(dòng)機制兩方面的突破與創(chuàng )新。
俞燕蕾教授團隊借鑒自然界中強韌生物執行器動(dòng)脈血管的層狀結構（圖a），仿生設計出一種全新結構的線(xiàn)型液晶高分子材料（圖b），并通過(guò)開(kāi)環(huán)易位聚合法成功制備出超高分子量的產(chǎn)物。這種材料具有優(yōu)良的溶液和熔融加工性能，并且由于液晶分子之間的協(xié)同效應可自組裝形成納米層狀結構，擁有強韌的機械性能（斷裂伸長(cháng)率能高達傳統交聯(lián)液晶高分子的100倍），是新一代高性能的光致形變材料。
基于上述新研發(fā)的線(xiàn)型液晶高分子材料良好的加工性能和強韌的機械性能，研發(fā)團隊進(jìn)一步成功構筑出直形、Y形、S形和螺旋形等多種自支撐的微管執行器（圖e）。巧妙地利用梯度可見(jiàn)光照射精確調控微管執行器的管徑產(chǎn)生不對稱(chēng)變化（圖c），誘導產(chǎn)生軸向毛細作用力，使內部的液體在拉普拉斯壓差的作用下自發(fā)向微管的細端運動(dòng)（圖d）。這是一種全新概念的光控微流體新技術(shù)，實(shí)現了對各種極性和非極性液體、復雜流體（包括乳液和汽油），甚至是生物樣品輸運的精確操控。通過(guò)改變光照條件，該技術(shù)能夠精確控制液體的運動(dòng)方向和速率（高達5.9 mm s-1），并能長(cháng)程運動(dòng)（在直徑為0.5mm的微管執行器中連續驅動(dòng)微量液體運動(dòng)53 mm），還進(jìn)一步實(shí)現了微量液體的攪拌、融合、克服重力爬坡，甚至首次在封閉管道中產(chǎn)生S形和螺旋形運動(dòng)軌跡，達到了微流體操控的技術(shù)要求。這類(lèi)微管執行器兼具流體通道和驅動(dòng)泵的雙重功能，可以簡(jiǎn)化整個(gè)微流控系統，將來(lái)有望進(jìn)一步做到集成化與小型化。因此，在生化檢測分析、微流反應器、芯片實(shí)驗室等領(lǐng)域具有可觀(guān)的應用價(jià)值。
圖 a.動(dòng)脈血管結構示意圖；b.線(xiàn)型液晶高分子化學(xué)結構；c. 在衰減的可見(jiàn)光輻射下，微管執行器形變成不對稱(chēng)的圓錐形，驅動(dòng)液體向窄端移動(dòng)（示意圖）；d. 在衰減的可見(jiàn)光輻射下，微管執行器驅動(dòng)液體向光強的衰減方向移動(dòng)；e.直形、Y形、S形和螺旋形微管執行器。
