复旦俞燕蕾团队研发出全新概念光控微流体新技术

复旦大学于教授团队

新华网上海9月8日电(记者黄鑫、通讯员陈文学)复旦大学材料科学系和高分子分子工程国家重点实验室于教授一行突破了简化微流控系统的困难，创造性地采用了自主研发的新型液晶高分子光致变形材料，构建了具有光响应特性的微管致动器。通过微管光致变形产生的毛细力，微管致动器可以实现对各种复杂流体的全光学控制，包括生物医学领域常用的液体，允许其蜿蜒甚至爬坡，这就像是在微尺度下控制“水”的神奇能力。今天，这项主要研究成果发表在国际权威学术杂志《自然》上。据报道，该研究成果已申请中国发明专利和国际专利。

评论家认为，反应和分析用的微量液体控制系统在许多实验室中非常重要，并在许多领域显示出重要的实际应用价值。光能可以用来激发液体运动，但现有的光驱技术存在驱动路径单一、驱动距离短、可驱动的液体种类有限等缺点。

在几平方厘米大小的芯片上集成涉及生物和化学领域的基本操作单元，通过微流体技术完成不同的生物或化学反应过程，以及分析它们的产品，是近年来芯片实验室越来越受欢迎的概况。理想情况下，芯片实验室可以用于多种目的，包括医学测试，它的发展将带来测试和其他仪器的普及和普及。为了实现这一愿景，必须简化微流体系统。

新的驱动机制:光致变形使毛细作用力呈现“化身”

微量液体的传输是一个涉及许多领域的重要问题。例如昂贵液体药物的非破坏性转移、微流体装置和生物芯片中的液体驱动等。，都与它们直接相关。近年来，随着微流控芯片尺寸的缩小和功能单元数量的增加，相应的外部驱动设备和管道变得越来越复杂和庞大。微流体系统的进一步简化已经成为制约微流体领域发展的瓶颈问题。迫切需要从根本上提出创新的微流控驱动机制。

文章的第一作者、复旦大学材料科学系博士陆久安认为，由于光的上述特性，可以精确聚焦和以非接触方式控制的光刚刚成为微流控芯片上微尺度流体操作的首选。然而，所报道的光控液体的运动或多或少是有限的。例如，使用光诱导的马兰戈尼效应来控制痕量液体需要向样品中添加光响应化合物，并且样品污染是不可避免的。由于温度的变化，利用激光照射液体产生的热能进行操作可能会影响其在生物化学领域的应用。利用光诱导表面润湿梯度来控制痕量液体只适用于少数特定的液体，只能做短程直线运动，不能满足实际需要...单一驱动路径、短驱动距离和有限类型的可驱动液体是现有光控微流体技术的主要缺陷。可以说，广泛应用的光控微流控技术仍有很大的探索空间，需要进一步发展。

于教授的团队长期从事液晶高分子材料及其光致变形性能的研究。基于相关的丰富经验，微管光致变形产生的毛细力已成为团队创新液体驱动机制、突破现有机制局限的基本方向。

润湿液在轴向不对称毛细管力的驱动下，可以自发地向锥形毛细管的细端移动。受这一原理的启发，该团队设计并构建了一种微尺度液晶聚合物微管致动器，其直径可在常用的发光二极管可见光光源的刺激下不对称变化，具有流体通道和泵驱动的双重功能。通过管径变化引起的毛细作用力的变化，利用光来控制微管中液滴运动的“魔力”可以用一种与过去完全不同的方式来实现。

仿生设计:从动脉血管到新一代液晶高分子材料

传统的微流体装置通常由非响应性材料制成，例如硅和玻璃。由这些材料构成的微流体装置需要与许多外部驱动装置连接，以完成痕量液体的操作。然而，过去报道的大多数液晶聚合物材料都是交联液晶聚合物，化学交联网络的存在使得这些材料不溶和不溶，不能满足三维形状致动器的实际加工需要。如何设计一种具有优异加工性能的新型液晶高分子材料，并将其制成微管致动器？在弄清了液体的驱动机制后，这个问题一度成为余教授团队的思考焦点。

由于它的层状结构，生物动脉的血管壁可以承受高达2000毫米汞柱的压力，这是非常困难的。受此启发，研究人员仿生设计了一种新型结构的线性液晶高分子材料，最终成为解决问题的办法。通过开环易位聚合，该团队成功制备了一种新型超高分子量光学可变形液晶聚合物材料。该线性液晶聚合物没有化学交联结构，具有优异的溶解和熔融加工性能，能够自组装形成类似生物动脉血管的纳米层状结构，具有良好的力学性能。其断裂伸长率可达传统交联液晶聚合物的100倍，并可通过简单的溶液加工方法制成各种形状。它是新一代高性能液晶聚合物光致变形材料。利用这种材料，于教授的团队成功地构建了直的、Y形的、S形的和螺旋的自支撑微管致动器，其可用于在光照条件下控制不同类型的液体运动。

多领域应用:一个开创性的系统简化方案

基于微流控器件在结构材料和驱动机制上的创新，于教授团队的研究成果有效地克服了现有光控微流控技术的不足。水溶液、血清蛋白溶液、细胞培养液、乙醇、植物油、汽油...由该微管致动器设计和构建的微管致动器可以实现对各种极性和非极性液体、复杂流体甚至生物样品的光控传输，可以说是微流体技术的新概念。

使用这种技术，可以通过改变照明条件来精确控制液体运动的方向和速度(达到5.9毫米·秒-1)，实现过去无法完成的长距离运动(在直径为0.5毫米的微管致动器中连续驱动微量液体运动超过50毫米)，甚至使微量液体能够搅拌、融合、克服重力、爬坡并产生S形和螺旋运动轨迹。同行业的外国专家给出了“超越现有微流体控制技术并具有真正开创性意义的所有现有技术”非常好的作品，真正的开放”，并充分肯定了其在未来的应用前景，说这项技术一定会引起科学家在许多领域的广泛兴趣。

于表示，作为一项基础性研究，微管致动器有望在生物医学设备、生化检测与分析、微流控反应器、芯片实验室等诸多领域“下大力气”，具有相当的应用价值。以生化检测和分析为例，反应、分离、纯化或所有的液体都可以通过微管驱动器来完成。最重要的是，微管致动器可以“缩小”微流体系统，同时实现相应的功能。当光源成为控制装置时，不再需要外部驱动设备，并且可以大大简化系统。对高度集成的芯片实验室的追求有望凭借其实力迈出新的一步。

据悉，这项研究工作是由国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目和上海市优秀学术带头人项目共同资助的。