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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?qū)崿F(xiàn)包括醫(yī)療檢驗在內(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實驗室俞燕蕾教授團隊關(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。這個平均年齡僅29歲的年輕科研團隊突破了微流控系統(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)生的毛細作用力，實現(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)。

該文章第一作者為我校材料科學(xué)系博士呂久安，通訊作者為俞燕蕾教授，我校校友、北京大學(xué)教授陳爾強參與協(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)基金重點項目、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計劃共同資助。研究成果已申報中國發(fā)明專利和國際PCT專利。

驅(qū)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(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)動設(shè)備和管路越來越復(fù)雜和龐大。微流控系統(tǒng)的進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)動新機制。

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(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動，無法滿足實際需求……驅(qū)動路徑單一、驅(qū)動距離短、可驅(qū)動液體種類有限是現(xiàn)有光控微流體技術(shù)的主要缺陷?？梢哉f，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(guān)豐富經(jīng)驗，利用微管光致形變產(chǎn)生毛細作用力成為了該團隊創(chuàng)新液體驅(qū)動機制、突破現(xiàn)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(qū)動下，自發(fā)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(shè)計構(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)動泵的雙重功能。通過由管徑變化所誘發(fā)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(xiàn)。

仿生設(shè)計：從動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)動設(shè)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(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)行器的實際加工需要。如何設(shè)計一種加工性能優(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(jīng)”，團隊留心到，生物動脈血管管壁因其層狀結(jié)構(gòu)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(fā)，仿生設(shè)計一種全新結(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(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脈血管的納米層狀結(jié)構(gòu)，擁有良好的機械性能。其斷裂伸長率可達傳統(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，俞燕蕾教授團隊已成功構(gòu)筑直形、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動。

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)動機制兩方面的創(chuàng)新，俞燕蕾教授團隊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、細胞培養(yǎng)液、乙醇、植物油、汽油……其設(shè)計構(gòu)筑的微管執(zhí)行器可以實現(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動的方向和速率（高達5.9 mm s-1），實現(xiàn)以往無法完成的長程運動（在直徑為0.5 mm的微管執(zhí)行器中連續(xù)驅(qū)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(chǎn)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(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，并對其未來應(yīng)用前景予以了充分肯定，稱這項技術(shù)必將引起眾多領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛興趣。

俞燕蕾教授表示，作為一項基礎(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、芯片實驗室等諸多領(lǐng)域“大施拳腳”，應(yīng)用價值相當(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)動設(shè)備不再必要，大幅度系統(tǒng)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。