在一塊幾平方厘米大小的芯片上集成生物和化學領域所涉及的基本操作單元，通過微流控技術完成不同的生物或化學反應過程，并對其產物進行分析，是近年來日趨熱門的芯片實驗室概述。理想中，芯片實驗室能夠實現包括醫(yī)療檢驗在內的多種用途，其發(fā)展或將帶來檢測等儀器的家庭化、普及化。要實現這一設想，微流控系統(tǒng)的簡化勢在必行。

2016年9月8日，復旦大學材料科學系與聚合物分子工程國家重點實驗室俞燕蕾教授團隊關于光控微流體領域的最新研究成果，于《自然》（Nature）雜志發(fā)表。該團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，構筑出具有光響應特性的微管執(zhí)行器，可通過微管光致形變產生的毛細作用力，實現對包括生物醫(yī)藥領域常用液體在內的各種復雜流體的全光操控，令其蜿蜒而行甚至爬坡，仿若具現了微尺度下的神奇馭“水”本領。

該文章第一作者為復旦大學材料科學系博士呂久安，通訊作者為俞燕蕾教授，復旦大學校友、北京大學教授陳爾強參與協(xié)作。研究工作得到國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金重點項目、上海市優(yōu)秀學術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。立足于相關豐富經驗，利用微管光致形變產生毛細作用力成為了該團隊創(chuàng)新液體驅動機制、突破現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作用力驅動下，自發(fā)向錐形毛細管的細端移動。脫胎于該條原理，團隊別出心裁地設計構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，兼具流體通道和驅動泵的雙重功能。通過由管徑變化所誘發(fā)的毛細作用力變化，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。

此外通過向自然界“取經”，團隊留心到，生物動脈血管管壁因其層狀結構的存在，可承受高達2000毫米汞柱的壓強，可謂異常堅韌。受此啟發(fā)，仿生設計一種全新結構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交聯(lián)結構，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構，擁有良好的機械性能。其斷裂伸長率可達傳統(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，俞燕蕾教授團隊已成功構筑直形、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筑材料及驅動機制兩方面的創(chuàng)新，俞燕蕾教授團隊的研究成果有效克服了現有光控微流體技術的不足。水溶液、血清蛋白溶液、細胞培養(yǎng)液、乙醇、植物油、汽油……其設計構筑的微管執(zhí)行器可以實現對各種極性和非極性液體、復雜流體，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。

利用該技術，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5.9mms-1），實現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“超越現有的微流體操控技術，是具有真正開創(chuàng)意義的優(yōu)秀成果（Superiortoallexistingtechnologies;verynicepieceofworkwithrealopenings）”的評價，并對其未來應用前景予以了充分肯定，稱這項技術必將引起眾多領域科學家的廣泛興趣。

俞燕蕾教授表示，作為一項基礎性研究，該微管執(zhí)行器有望在生物醫(yī)藥設備、生化檢測分析、微流反應器、芯片實驗室等諸多領域“大施拳腳”，應用價值相當可觀。以生化檢測分析為例，液體的反應、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，在實現相應功能之余，微管執(zhí)行器還能為微流控系統(tǒng)“瘦身”。當光源成為操控手段，外接驅動設備不再必要，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。

（實習編輯：祝聞豪）