復(fù)旦大學(xué)俞燕蕾教授團(tuán)隊(duì)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，并通過(guò)微管光致形變產(chǎn)生的毛細(xì)作用力，實(shí)現(xiàn)對(duì)包括生物醫(yī)用領(lǐng)域常用液體在內(nèi)的各種復(fù)雜流體的全光操控，突破了微流體系統(tǒng)簡(jiǎn)化難題，被國(guó)際同行譽(yù)為“超越現(xiàn)有的微流體操控技術(shù)，是具有真正開(kāi)創(chuàng)意義的優(yōu)秀成果(Superior to all existing technologies; very nice piece of work with real openings)”。相關(guān)研究成果于2016年9月8日以“Photocontrol of fluid slugs in liquid crystal polymer microactuators”(液晶高分子微執(zhí)行器中的液體光控運(yùn)動(dòng))為題在Nature在線發(fā)表。論文鏈接#videos。相關(guān)工作還申報(bào)了中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利和國(guó)際PCT專(zhuān)利。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：51225304，21134003，21273048)等項(xiàng)目的資助。

　　微量液體傳輸是涉及諸多領(lǐng)域的重要問(wèn)題。諸如昂貴液體藥品的無(wú)損轉(zhuǎn)移、微流體器件與生物芯片中的液體驅(qū)動(dòng)等，都與之直接相關(guān)。近年來(lái)，伴隨微流體芯片的自身尺寸不斷縮小，功能單元數(shù)量日益增多，相應(yīng)的外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備和管路越來(lái)越復(fù)雜和龐大。微流控系統(tǒng)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化成為制約微流體領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。在各種研究中，用光來(lái)控制微流體是方向之一。但過(guò)去的光控微流體，由于材料與驅(qū)動(dòng)機(jī)制的限制，傳輸速度很慢，適用的液體種類(lèi)也很少，距離實(shí)用化還相當(dāng)遙遠(yuǎn)。要解決這一難題，亟待從根本上實(shí)現(xiàn)微流體器件構(gòu)筑材料與驅(qū)動(dòng)機(jī)制兩方面的突破與創(chuàng)新。

　　俞燕蕾教授團(tuán)隊(duì)借鑒自然界中強(qiáng)韌生物執(zhí)行器動(dòng)脈血管的層狀結(jié)構(gòu)(圖a)，仿生設(shè)計(jì)出一種全新結(jié)構(gòu)的線型液晶高分子材料(圖b)，并通過(guò)開(kāi)環(huán)易位聚合法成功制備出超高分子量的產(chǎn)物。這種材料具有優(yōu)良的溶液和熔融加工性能，并且由于液晶分子之間的協(xié)同效應(yīng)可自組裝形成納米層狀結(jié)構(gòu)，擁有強(qiáng)韌的機(jī)械性能(斷裂伸長(zhǎng)率能高達(dá)傳統(tǒng)交聯(lián)液晶高分子的100倍)，是新一代高性能的光致形變材料。

　　基于上述新研發(fā)的線型液晶高分子材料良好的加工性能和強(qiáng)韌的機(jī)械性能，研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步成功構(gòu)筑出直形、Y形、S形和螺旋形等多種自支撐的微管執(zhí)行器(圖e)。巧妙地利用梯度可見(jiàn)光照射精確調(diào)控微管執(zhí)行器的管徑產(chǎn)生不對(duì)稱變化(圖c)，誘導(dǎo)產(chǎn)生軸向毛細(xì)作用力，使內(nèi)部的液體在拉普拉斯壓差的作用下自發(fā)向微管的細(xì)端運(yùn)動(dòng)(圖d)。這是一種全新概念的光控微流體新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種極性和非極性液體、復(fù)雜流體(包括乳液和汽油)，甚至是生物樣品輸運(yùn)的精確操控。通過(guò)改變光照條件，該技術(shù)能夠精確控制液體的運(yùn)動(dòng)方向和速率(高達(dá)5.9 mm s-1)，并能長(zhǎng)程運(yùn)動(dòng)(在直徑為0.5mm的微管執(zhí)行器中連續(xù)驅(qū)動(dòng)微量液體運(yùn)動(dòng)53 mm)，還進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了微量液體的攪拌、融合、克服重力爬坡，甚至首次在封閉管道中產(chǎn)生S形和螺旋形運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到了微流體操控的技術(shù)要求。這類(lèi)微管執(zhí)行器兼具流體通道和驅(qū)動(dòng)泵的雙重功能，可以簡(jiǎn)化整個(gè)微流控系統(tǒng)，將來(lái)有望進(jìn)一步做到集成化與小型化。因此，在生化檢測(cè)分析、微流反應(yīng)器、芯片實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用價(jià)值。

　　圖 a.動(dòng)脈血管結(jié)構(gòu)示意圖;b.線型液晶高分子化學(xué)結(jié)構(gòu);c. 在衰減的可見(jiàn)光輻射下，微管執(zhí)行器形變成不對(duì)稱的圓錐形，驅(qū)動(dòng)液體向窄端移動(dòng)(示意圖);d. 在衰減的可見(jiàn)光輻射下，微管執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)液體向光強(qiáng)的衰減方向移動(dòng);e.直形、Y形、S形和螺旋形微管執(zhí)行器。