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(jìn)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(tuán)隊關(guān)于光控微流體領(lǐng)域的最新研究成果，于《自然》（Nature）雜志發(fā)表。該團(tuán)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(xì)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)。

該文章第一作者為復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系博士呂久安，通訊作者為俞燕蕾教授，復(fù)旦大學(xué)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。該研究成果已申報中國發(fā)明專利和國際PCT專利。

俞燕蕾教授團(tuán)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(xì)作用力成為了該團(tuán)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(xì)作用力驅(qū)動下，自發(fā)向錐形毛細(xì)管的細(xì)端移動。脫胎于該條原理，團(tuán)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(xì)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)。

此外通過向自然界“取經(jīng)”，團(tuán)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(dá)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(tuán)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(dá)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(tuán)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。

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(tuán)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(xì)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(dá)5.9mms-1），實現(xiàn)以往無法完成的長程運動（在直徑為0.5mm的微管執(zhí)行器中連續(xù)驅(qū)動微量液體運動超過50mm），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（Superiortoallexistingtechnologies;verynicepieceofworkwithrealopenings）”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。

（實習(xí)編輯：祝聞豪）