Nature主刊发表我系俞燕蕾教授团队全新概念光控微流体新技术...

Nature 主刊发表我系俞燕蕾教授团 队全新概念光控微流体新技术 .在一块几平方厘米大小的芯片上集成生物和化学 领域所涉及的基本操作单元，通过微流控技术完成不 同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析，是 对近年来日趋热门的芯片实验室功能概述。理想中， 芯片实验室能够实现包括医疗检验在内的多种用途， 其发展或将带来检测等仪器的家庭化、普及化。要实 现这一设想，微流控系统的简化势在必行。2016年 9 月 8 日，我系俞燕蕾教授团队关于光控 微流体领域的最新研究成果： Photocontrol of fluid slugs in liquid crystal polymer microactuators (Nature ，2016，DOI10.1038/nature19344 )于自 然( Nature )杂志发表。这个平均年龄仅 29 岁的年轻科研团队，突破了微 流控系统简化的难题，创造性地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，可通过微管光致形变产生的毛细作用力， 实现对包括生物医药领域常用液体在内的各种复杂流 体的全光操控，令其蜿蜒而行甚至爬坡，仿若具现了微尺度下的神奇驭“水”本领。该文章第一作者为我系博士吕久安，通讯作者为 俞燕蕾教授，我系校友、北京大学教授陈尔强参与协 作。研究工作得到国家杰出青年科学基金、国家自然 科学基金重点项目、上海市优秀学术带头人计划共同 资助。研究成果已申报中国发明专利和国际 PCT专利 驱动新机制光致形变令毛细作用力显“神通” 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，亟待从根本上提出创新性的微流体驱动新机制。 光控微量液体 据吕久安介绍，可以精密聚焦，并能够做到非接 触控制的光，恰以其如上特点成为了在微流体芯片上 进行微小尺度的流体操控的上选。然而，已报道的光 控液体运动或多或少存在限制。譬如，利用光诱导的 马兰戈尼效应操控微量液体，需要向样本添加光响应 化合物，样本污染在所难免；利用激光照射液体产生 的热能进行操控，可能因温度变化而影响其在生化领 域的应用；利用光诱导的表面润湿性梯度操控微量液 体，则只适用于少数特定液体，且仅可做短程直线运 动，无法满足实际需求驱动路径单一、驱动距离 短、可驱动液体种类有限是现有光控微流体技术的主 要缺陷。可以说，适用性广泛的光控微流控技术仍有 很大的探索空间，亟待继续研发。俞燕蕾教授团队长期从事液晶高分子材料及其光 致形变性能的研究。立足于相关丰富经验，利用微管 光致形变产生毛细作用力成为了该团队创新液体驱动 机制、突破现有机制限制的基本方向。润湿的液体能够在轴向不对称毛细作用力驱动下， 自发向锥形毛细管的细端移动。脱胎于该条原理，团 队别出心裁地设计构建出一种管径可在常用 LED可见 光源刺激下发生不对称变化的微米尺度液晶高分子微 管执行器，兼具流体通道和驱动泵的双重功能。通过 由管径变化所诱发的毛细作用力变化，利用光来操控 微管中液滴运动的“神通”得以以一种与过往全然不 同的方式实现。仿生设计从动脉血管到新一代液晶高分子材料 传统的微流体器件通常采用硅材料、玻璃等非响 应性材料构建。由这些材料构筑的微流体器件需要连 接许多外部驱动设备来完成微量液体的操控。而以往 报道的液晶高分子材料多为交联液晶高分子，化学交 联网络的存在又使得这些材料不溶不熔，无法满足三 维立体形状执行器的实际加工需要。如何设计一种加 工性能优越、能够制成微管执行器的新型液晶高分子 材料？在明确液体驱动机制后，这一问题曾一度成为 俞燕蕾教授团队思考的重心。 设计管状微型执行器 通过向自然界“取经”，团队留心到，生物动脉 血管管壁因其层状结构的存在， 可承受高达 2000 毫米 汞柱的压强，可谓异常坚韧。受此启发，仿生设计一 种全新结构的线型液晶高分子材料最终成为问题的解 决之道。通过开环易位聚合法，团队成功制备出超高 分子量的新型光致形变液晶高分子材料。这种线型液 晶高分子没有化学交联结构，兼具优良的溶液和熔融 加工性能，并可自组装形成类同于生物动脉血管的纳 米层状结构，拥有良好的机械性能。其断裂伸长率可 达传统交联液晶高分子的 100 倍，能够以简便的溶液 加工法制成多种形状，是新一代高性能液晶高分子光 致形变材料。采用该材料，俞燕蕾教授团队已成功构 筑直形、Y形、S形及螺旋形自支撑微管执行器，可用 于在光照条件下操控不同类型的液体运动。多领域应用具有开创性意义的系统简化方案基于在微流体器件构筑材料及驱动机制两方面的 创新，俞燕蕾教授团队的研究成果有效克服了现有光 控微流体技术的不足。水溶液、血清蛋白溶液、细胞 培养液、乙醇、植物油、汽油其设计构筑的微管 执行器可以实现对各种极性和非极性液体、 复杂流体， 甚至是生物样品输运的光控，可谓是一种全新概念的 微流控技术。利用该技术，通过改变光照条件就能够精确控制 液体运动的方向和速率（高达 5.9 mm s-1 ），实现以 往无法完成的长程运动（在直径为0.5 mm勺微管执行 器中连续驱动微量液体运动超过 50 mm,甚至可以使 微量液体搅拌、融合、克服重力爬坡，及产生 S 形和 螺旋形运动轨迹。国外同行专家对此给出了“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 ）”的评价, 并对其未来应用前景予以了充分肯定,称这项技术必 将引起众多领域科学家的广泛兴趣。俞燕蕾教授表示,作为一项基础性研究,该微管 执行器有望在生物医药设备、生化检测分析、微流反 应器、芯片实验室等诸多领域“大施拳脚”,应用价 值相当可观。以生化检测分析为例,液体的反应、分离、纯化或都可以通过该微管执行器完成。至为重要的是，在实现相应功能之余，微管执行器还能为微流控系统“瘦身”。当光源成为操控手段，外接驱动设备不再必要，大幅度系统简化成为可能。芯片实验室 的高度集成化追求有希望借助其力量迈出崭新的一步。本周 Nature 杂志将报道光控毛细管可以驱动各 种类型的液体沿着曲径运动， 甚至可以驱动液体爬坡。 这类细小的管子可以用于生物医用设备、微泵等技术 领域。操控微量液体进行反应和分析的系统在许多实验 室的研究中至关重要，并在很多领域展现出重要的实 际应用价值。光能可以被用来激发液体运动，但是现 有的光控技术存在驱动路径单一、驱动距离短，以及 可驱动液体种类有限等缺陷。俞燕蕾教授研究团队受动脉血管的结构，特别是 其强度以及改变形状来泵血的能力所启发，设计了一 种光控管状系统。微管受到光照时会产生形变，这种外形的变化驱 动液体以可控的速率和方向进行长距离的运动。该体 系能驱动液体产生 S 形和螺旋形运动轨迹，这在以往 报道的封闭微通道中是无法实现的。微管可操控各种类型的液体和混合物，包括乳化 液、汽油等复杂流体，这是现有的光驱动方法无法操 控的。该体系还拥有操控生物医用领域常用液体的功能, 例如细胞悬浊液和缓冲溶液，预示其可用于芯片实验 室领域。