京都大學(xué)Sivaniah研究組通過在高分子薄膜中構(gòu)建尺寸規(guī)則的多層微纖維和微孔，在2019年研發(fā)出一種新型的結(jié)構(gòu)色彩打印方法，并命名為Organized Microfibrillation（OM，規(guī)整微纖維）。OM可以在比芝麻還小的尺寸上打印出“蒙拉麗莎”等精美圖案（圖1），分辨率可達(dá)14000 dpi，是普通打印機(jī)的10倍以上。該研究的相關(guān)成果發(fā)表在2019年6月的Nature正刊上，受到科研工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，三年之后，該團(tuán)隊(duì)秦德韜博士在OM方法基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)出微流控制備技術(shù)，可在厚度僅為1微米的高分子薄膜中制備出帶有結(jié)構(gòu)色彩的微流控通道，論文于2022年5月19日以“Structural colour enhanced microfluidics”為題發(fā)表于Nature Communications上。

圖1 結(jié)構(gòu)色彩打印邁向微流控制備

OM技術(shù)的研發(fā)初衷是利用高分子材料構(gòu)建周期性多層結(jié)構(gòu)，以反射特定波長光線，形成相長干涉和結(jié)構(gòu)色彩。微觀下對(duì)OM結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，隨著實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)，微纖維之間存在尺寸為幾十至幾百納米的孔隙，OM微流控技術(shù)就是利用這些微孔對(duì)流體進(jìn)行精確操控，如圖2a。

微流控是在微觀尺度對(duì)流體進(jìn)行精確操控的技術(shù)，可以在芯片尺寸下通過對(duì)微小管路的高度集成完成分離、純化、檢測、反應(yīng)等操作，又稱為芯片實(shí)驗(yàn)室。利用OM技術(shù)研發(fā)微流控，需要解決3個(gè)核心問題：（1）如何獲得可用的OM微流控？（2）OM微流控通道有什么特別之處？（3）OM微流控有哪些應(yīng)用價(jià)值？

首先為實(shí)現(xiàn)OM微流控技術(shù)，需要驗(yàn)證液體能否進(jìn)入微孔，以及材料內(nèi)部流動(dòng)是否暢通。液體進(jìn)入微孔的能力主要受液體對(duì)材料潤濕性的影響，通常潤濕性越強(qiáng)的液體越容易進(jìn)入微孔。潤濕性由液體與材料的接觸角表征，接觸角越小，潤濕性越強(qiáng)。制備OM微流控通道的是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯一類的普通高分子材料，像乙醇和正十六烷一類的普通醇類或油類液體對(duì)其接觸角低于30°（圖2b），潤濕性很強(qiáng)；而純水的接觸角則大于90°（圖2c），潤濕性弱；如果向水中加入輔助潤濕的添加劑，則接觸角可降低至40°（圖2d），可以極大地拓寬液體的選用范圍。

圖2 規(guī)整微纖維技術(shù)（OM）打印的微流控

a）OM微流控的概念示意圖；b-d）正十六烷（b）、純水（c）、添加輔助潤濕劑的水溶液（d）對(duì)聚苯乙烯OM薄膜的接觸角；e）OM微通道的掃描電鏡觀察圖；f）共聚焦顯微鏡觀測液體在OM通道中的流動(dòng)

制備OM微流控包括鑄膜、光刻和顯影三個(gè)步驟，其中光刻步驟采用microLED光刻設(shè)備，可以高精度打印微流控通道，精度可達(dá)5微米（圖2e）。選用對(duì)OM薄膜潤濕性強(qiáng)的液體加入熒光分子，在共聚焦顯微鏡可觀察到液體在毛細(xì)作用下進(jìn)入OM通道，并按設(shè)定圖案流動(dòng)（圖2f）。這表明微孔在薄膜平面內(nèi)是連通的，說明OM微流控的技術(shù)可行。

在決定微流控流體動(dòng)力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，孔徑是最關(guān)鍵的因素之一，然而肉眼很難對(duì)微米至納米級(jí)別的尺寸進(jìn)行辨別。OM微流控則另辟蹊徑，其突出特性就是多層堆疊微孔通道，在薄膜平面外的方向產(chǎn)生肉眼可見的結(jié)構(gòu)色彩。

由于多層結(jié)構(gòu)的層間距受無孔致密層厚度和微孔層厚度兩部分影響，而致密層厚度基本不變，所以層間距與微孔層厚度成正比，也就是與微孔孔徑正相關(guān)。孔徑最終決定色彩光譜值，這樣通過顏色就可以辨別孔徑的大小，并進(jìn)一步評(píng)估由孔徑?jīng)Q定的流體性能特征。

同時(shí)，亞微米級(jí)的微孔孔徑小于微米級(jí)的通道打印寬度，因而流體性能不受打印寬度影響，僅由微孔孔徑?jīng)Q定，圖3b中可以看到，相同結(jié)構(gòu)色下的流體擴(kuò)散速率一致。

圖3 OM微流控的結(jié)構(gòu)色彩特性

a）毛細(xì)流在OM通道擴(kuò)散參數(shù)（dL2/dt）與結(jié)構(gòu)色彩的布拉格反射峰的峰位正相關(guān)；b，c）相同結(jié)構(gòu)色彩下改變通道打印寬度并不影響流體擴(kuò)散速率（dL2/dt）

簡要來說，OM微流控中，流體性能與結(jié)構(gòu)色彩緊密相關(guān)，而與通道打印的表觀尺寸無關(guān)。這樣一來，流體的性能就被直觀地反映在了結(jié)構(gòu)色上，顏色越紅的OM通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的層間距越大，相應(yīng)的微孔孔徑越大，那么通道中的流體阻力越小，流體擴(kuò)散速率則越快。

該特性可以直接用于檢測流體的很多性質(zhì)，如通過分析液體在OM微通道的擴(kuò)散速率以檢測液體的粘度。此外，微孔中不同介質(zhì)會(huì)改變OM結(jié)構(gòu)的折射系數(shù)，利用OM微流控的結(jié)構(gòu)色彩也可檢測不同液體的折射系數(shù)。

圖4 OM微流控的檢測性能

a）實(shí)驗(yàn)觀察到液體在OM通道中擴(kuò)散參數(shù)與液體的粘度呈反比（橫坐標(biāo)是粘度μ的倒數(shù)）；b）OM通道結(jié)構(gòu)色的布拉格反射峰響應(yīng)流體的折射系數(shù)

OM微流控的核心優(yōu)勢就是可以根據(jù)不同目的對(duì)微孔尺寸進(jìn)行精確調(diào)控，將大小不同的微孔組合在一起。結(jié)構(gòu)色可以直觀反映組合結(jié)果，下圖中，中心主通道比側(cè)通道更紅，說明主通道的微孔孔徑更大。在生物醫(yī)藥這一重要發(fā)展領(lǐng)域，OM微流控的該特性可發(fā)展出一系列相關(guān)應(yīng)用，如對(duì)生物分子按分子量篩分。

圖5 OM調(diào)控微孔尺寸制備的分離通道

通道結(jié)構(gòu)色彩（a，b）與掃描電子顯微鏡對(duì)橫截面的孔徑觀察結(jié)果（c-e）相一致

不同孔徑大小的OM微流控組合通道，可將混合溶液中的多糖、蛋白質(zhì)等生物分子分離開。近期有眾多研究揭示了新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）和糖尿病人病情加重存在病理學(xué)關(guān)聯(lián)，其中胰島素與糖尿病相關(guān)，而新冠病毒核衣殼蛋白（Nucleocapsid protein）與抗原檢測有關(guān)聯(lián)，因而本實(shí)驗(yàn)的第一步就是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)蛋白的分離。

圖6展示了蛋白質(zhì)分離結(jié)果，分子量小的胰島素蛋白（紅色熒光）在OM通道中的擴(kuò)散速率快于分子量大的新冠病毒的核衣殼蛋白（綠色熒光），而新冠病毒核衣殼蛋白在微孔較大的主通道擴(kuò)散速率又明顯快于側(cè)通道。如圖，側(cè)通道中僅有紅色熒光，說明蛋白可以在側(cè)通道中實(shí)現(xiàn)分離。

圖6 OM微流控篩分功能

a）混合液從側(cè)面進(jìn)入OM通道，紅色為孔徑較大的主通道，黃色為孔徑較小的側(cè)通道；b）胰島素（5.8kDa，紅色熒光），SARS-CoV-2核衣殼蛋白（55kDa，綠色熒光）

微流控可以實(shí)現(xiàn)分析設(shè)備的微型化，具有靈敏度高、能耗低、試劑需求少、便攜等優(yōu)勢，受到多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注。然而高精度制備的工藝流程復(fù)雜，需要特定材料或設(shè)備，又限制了其大規(guī)模發(fā)展。

OM微流控的優(yōu)勢在于工藝流程簡單，使用普通工程高分子材料，可制備柔性、透明等多種樣式。論文的第一作者秦德韜認(rèn)為，規(guī)整微纖維方法為微流控制備提供了新的技術(shù)和思路，OM微流控在篩分生物分子的工作中邁出了重要的第一步，未來這項(xiàng)技術(shù)有望為更多生物工程領(lǐng)域的研究及藥物測試研發(fā)提供更為便捷的微流控測試平臺(tái)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29956-4

審核編輯 ：李倩