我国科学家研发出光控微流体新技术
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发布时间：2016-09-19
复旦大学俞燕蕾教授团队采用自主研发的新型液晶高分子光致形变材料，构筑出具有光响应特性的微管执行器，并通过微管光致形变产生的毛细作用力，实现对包括生物医用领域常用液体在内的各种复杂流体的全光操控，突破了微流体系统简化难题，被国际同行誉为“超越现有的微流体操控技术，是具有真正开创意义的优秀成果（Superior to all existing technologies; very nice piece of work with real openings）”。相关研究成果于2016年9月8日以“Photocontrol of fluid slugs in liquid crystal polymer microactuators”（液晶高分子微执行器中的液体光控运动）为题在Nature在线发表。论文链接http://www.nature.com/nature/journal/v537/n7619/full/nature19344.html#videos。相关工作还申报了中国发明专利和国际PCT专利。该研究得到了国家自然科学基金（项目编号：51225304，21134003，21273048）等项目的资助。
微量液体传输是涉及诸多领域的重要问题。诸如昂贵液体药品的无损转移、微流体器件与生物芯片中的液体驱动等，都与之直接相关。近年来，伴随微流体芯片的自身尺寸不断缩小，功能单元数量日益增多，相应的外部驱动设备和管路越来越复杂和庞大。微流控系统的进一步简化成为制约微流体领域发展的瓶颈问题。在各种研究中，用光来控制微流体是方向之一。但过去的光控微流体，由于材料与驱动机制的限制，传输速度很慢，适用的液体种类也很少，距离实用化还相当遥远。要解决这一难题，亟待从根本上实现微流体器件构筑材料与驱动机制两方面的突破与创新。
俞燕蕾教授团队借鉴自然界中强韧生物执行器动脉血管的层状结构（图a），仿生设计出一种全新结构的线型液晶高分子材料（图b），并通过开环易位聚合法成功制备出超高分子量的产物。这种材料具有优良的溶液和熔融加工性能，并且由于液晶分子之间的协同效应可自组装形成纳米层状结构，拥有强韧的机械性能（断裂伸长率能高达传统交联液晶高分子的100倍），是新一代高性能的光致形变材料。
基于上述新研发的线型液晶高分子材料良好的加工性能和强韧的机械性能，研发团队进一步成功构筑出直形、Y形、S形和螺旋形等多种自支撑的微管执行器（图e）。巧妙地利用梯度可见光照射精确调控微管执行器的管径产生不对称变化（图c），诱导产生轴向毛细作用力，使内部的液体在拉普拉斯压差的作用下自发向微管的细端运动（图d）。这是一种全新概念的光控微流体新技术，实现了对各种极性和非极性液体、复杂流体（包括乳液和汽油），甚至是生物样品输运的精确操控。通过改变光照条件，该技术能够精确控制液体的运动方向和速率（高达5.9 mm s-1），并能长程运动（在直径为0.5mm的微管执行器中连续驱动微量液体运动53 mm），还进一步实现了微量液体的搅拌、融合、克服重力爬坡，甚至首次在封闭管道中产生S形和螺旋形运动轨迹，达到了微流体操控的技术要求。这类微管执行器兼具流体通道和驱动泵的双重功能，可以简化整个微流控系统，将来有望进一步做到集成化与小型化。因此，在生化检测分析、微流反应器、芯片实验室等领域具有可观的应用价值。
图 a.动脉血管结构示意图；b.线型液晶高分子化学结构；c. 在衰减的可见光辐射下，微管执行器形变成不对称的圆锥形，驱动液体向窄端移动（示意图）；d. 在衰减的可见光辐射下，微管执行器驱动液体向光强的衰减方向移动；e.直形、Y形、S形和螺旋形微管执行器。
