隨著微分析系統在血液分析、細胞篩選、核酸檢測等生物醫學領域的快速發展，作為其核心的微流控技術越來越受到人們的重視。利用光作為驅動力操控微量液體的運動，可以免去外部連結的復雜驅動管路，有利于微流控系統的集成和簡化，并實現微流體的遠程、非接觸、定點精確控制。然而，目前已報道的光控微流體技術（光鑷、光熱效應、光致電滲流等）只能完成泵、閥或攪拌器的單一功能，無法構建集成化的光控微流體平臺，因而急需找到一種強有力的光驅動新機制來打破其發展瓶頸。
在前期工作中，俞燕蕾教授課題組報道了一種全新概念的光控微流體技術(Nature 2016, 537, 179; Small 2019, 15, 1901847; Adv. Intell. Syst. 2019, 1, 1900060)。他們設計了全線型光致形變液晶高分子新材料，通過溶液加工法構筑了三維結構的微管執行器，利用微管由圓柱形變成圓錐形的不對稱光致形變產生拉普拉斯壓差，驅動管內液體定向運輸。在此基礎上，通過設計“Y”形的微管實現了液滴的融合。然而，在拉普拉斯壓差的作用下，液滴只能由大通道進入小通道，因此融合后的液滴被“鎖”在“Y”形微管的分岔口處，既不能被光控繼續運輸進行下一步操作，也無法被分離提取其中的部分液體。
圖1. (a)全光控微流體芯片的設計與構筑；(b)線型光致形變液晶高分子的結構式；(c)集成液滴運輸、融合、分離及混合功能的光控微流體平臺示意圖；(d)全光控微流體芯片的實物圖。
經過多學科交叉的研究，俞燕蕾教授課題組設計并創制出全光控微流體芯片，在一個微流體平臺上集成了液滴的運輸、融合、分離及混合等功能，利用自主研發的光控微流體技術開發新型集成化微流控器件。將光致形變液晶高分子材料作為致動層與具有微通道結構的PMMA基底結合，構筑全光控微流體芯片。利用微通道的不對稱光致形變產生拉普拉斯壓差，驅動通道內液滴運輸；利用微通道分岔口處的精巧結構設計引入毛細凝結效應，實現光驅動下液滴的融合與分離；利用在運輸過程中由毛細作用誘導引發的液滴內部漩渦，促進樣品的攪拌混合。控制單個LED光源便可以完成上述運輸、融合、分離及混合功能的精確操控（圖1）。該芯片作為全光控微分析平臺的雛形，完全擺脫了傳統微流控芯片上泵、閥、攪拌器等外接單元的束縛。
圖2. (a)具有小傾斜角λ的等腰梯形通道截面；(b)液體段塞潤濕邊緣后推進側增加的面積ΔSAdv與兩通道之間夾角θ的關系；(c)照射過程中兩個液滴在毛細凝結作用下融合與分離的模擬；(d)光控融合與分離過程的示意圖；(e)光控融合與分離過程的實物圖。
微通道連接處的結構設計是實現液滴融合和分離的關鍵（圖2）。通過設計具有小傾斜角λ的等腰梯形通道截面使通道的交匯點形成楔形，從而發生毛細凝結。光照時，兩段液體在毛細凝結作用下被拉合連接，使其融合；撤去光照后，液柱之間的連接在拉普拉斯壓差作用下斷開，發生液體分離。進一步結合流體力學理論計算，擬合出液體融合、分離的速度與通道夾角θ以及通道橫截面傾斜角λ的關系方程，為光流控芯片的軌道設計提供了理論基礎。該全光控微流體芯片集成了多種液滴操控，能夠實現多種生化反應和檢測的集成與簡化，如5-羥基糠醛的催化氧化、蛋白的熒光檢測等，為全光控微分析平臺的構筑奠定了基礎。該平臺具有樣品用量少、操作簡便、用時短等優勢，有望開發便攜式、即時分析設備，將在生物、化學等領域具有重要的應用價值。
該成果以“An Integrated Droplet Manipulation Platform with Photodeformable Microfluidic Channels”為題發表在Small Methods期刊上。論文第一作者為復旦大學材料科學系劉荃博士，通訊作者為復旦大學材料科學系俞燕蕾教授。
論文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100969
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