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复旦团队研发出光控微流体新技术 突破液体种类限制 解决微流控系统简化难题
金陵 2016-09-09
导语

2016年9月8日,复旦大学俞燕蕾教授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。

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,是近年 来日趋热门的芯片实验室概述。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,复旦大学材料科学系与聚合物分子工程国家重点实验室俞燕蕾教授团队关于光控微流体领域的最新研究成果于《自然》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。

该文章第一作者为复旦大学材料科学系博士吕久安,通讯作者为俞燕蕾教授,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。

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。

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的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。

文章链接:

Jiu-an Lv, et al, "Photocontrol of fluid slugs in liquid crystal polymer microactuators," Nature537,179–184(08 September 2016)doi:10.1038/nature19344

俞燕蕾教授简介:

复旦大学材料科学系教授、博导,Email:ylyu@fudan.edu.cn

课题组主页:点击此处进入

研究方向:光致形变液晶高分子,高分子自组装材料,光响应智能界面材料。

光致形变高分子材料由于不需要与化学物质直接接触或发生物质交换,只要外部供给非接触性的能量就能实现对其形状的控制,因此成为具有独特优越性的智能高分子材料。液晶分子具有各向异性排列和协同运动的特点,在外场刺激下会产生液晶相到各向同性相的转变,分子的排列也因此出现有序-无序的变化。近年来,我们将偶氮苯光异构与液晶分子协同作用相结合,通过紫外光调控液晶分子排列,开发出具有光致弯曲功能的交联液晶高分子材料,并且利用液晶分子对偏振光的选择性吸收实现了弯曲方向的精确控制。通过不断调整液晶的分子结构和微观结构(液晶基元排列和相结构),全面优化了光致形变材料的各项性能,并且开发出可室温快速形变、多种波长光(紫外/可见/近红外)响应型的新材料。在此基础上,开展具有光能-机械能直接转换特点的柔性微器件研制,开发出光控微泵、微阀、微马达等原型样机,并组装出全光驱动的多关节、多自由度微型机器人。此外,将偶氮类液晶高分子与微纳结构界面有机结合,开始外场可控功能界面材料的研究。构筑 出粘附性具有光响应特征的超疏水功能界面,并且利用偶氮分子结构、极性变化以及液晶基元的取向变化等分子与微观结构的可控可逆变化,实现了粘附性的原位快速可逆光调控,使微量液体快速无损传输成为可能。

(本文信息来源:复旦大学网站;)

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  • 微量液体传输
  • 光致形变液晶高分子
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作者 金陵

本科生

北京大学

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  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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