近日，加拿大西安大略大學(xué)楊軍教授（目前在電子科技大學(xué)深圳高等研究院工作）課題組提出了一種磁驅(qū)動的“毛細(xì)容器”來實(shí)現(xiàn)三維流體界面創(chuàng)建和可編程動態(tài)操縱。通過調(diào)控“毛細(xì)容器”的浸潤性，在空氣、水和油中構(gòu)建了預(yù)定尺寸和幾何形狀的 3D 流體界面。通過調(diào)整毛細(xì)容器的結(jié)構(gòu)和磁場運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了多種靈活的運(yùn)動模式和操縱。同時，利用毛細(xì)容器遠(yuǎn)程操縱了選擇性流體收集和多種化學(xué)反應(yīng)，證明了其在不同流體體系中的可行性。結(jié)合界面膠凝反應(yīng)，容器可快速實(shí)現(xiàn)液體封裝，并生成各種自支撐 3D 膜結(jié)構(gòu)。利用此液體封裝過程，演示了核黃素（維生素 B2）的緩釋過程。與傳統(tǒng)微流體設(shè)備相比，毛細(xì)容器在流體處理和生物應(yīng)用方面具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢。例如：易于制造和使用，消除了氣泡捕獲和堵塞問題；適用于多細(xì)胞球體和組織切片等大型生物樣品；可獨(dú)立操縱捕獲的目標(biāo)樣品；可選擇性提取分析和局部刺激目標(biāo)樣本；可創(chuàng)建穩(wěn)定的 3D 流體界面，為生物流體界面研究提供平臺。此外，與通常的開放式微流體設(shè)備相比，毛細(xì)容器簡單易于使用，可根據(jù)不同需求輕松實(shí)現(xiàn)定制，無需復(fù)雜和昂貴的設(shè)備。因此，該多功能毛細(xì)容器將為開放微流體、界面化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程提供全新的研究平臺。
流體界面，包括氣-液界面和液-液界面，在自然界中無處不在并廣泛應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用中。它們可以是空氣中的水滴、水下的氣泡、水油乳液、肥皂泡沫等。流體界面上物理參數(shù)的突變可觸發(fā)擴(kuò)散、反應(yīng)、吸附、不穩(wěn)定性、蒸發(fā)、自組裝和聲共振等基本界面過程。這些過程是化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)中眾多現(xiàn)象的研究基石。例如，蒸發(fā)是水循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換、高分辨率印刷和表面圖案化的重要驅(qū)動力。氣泡的聲共振已被廣泛用于超聲成像、聲鑷和超材料。界面反應(yīng)和擴(kuò)散是化學(xué)合成、藥物釋放、提取和分離的基礎(chǔ)。吸附有利于水處理、泡沫浮選和食品加工。靈活構(gòu)建流體界面，有助于人們更好地理解、控制和利用這些重要的過程，對推進(jìn)界面過程研究和技術(shù)革新至關(guān)重要。然而，由于流體的不穩(wěn)定性和流動性，流體界面的精確控制仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，尤其是穩(wěn)定三維流體界面的創(chuàng)建及其可編程動態(tài)操縱。
在現(xiàn)有技術(shù)中，微流體設(shè)備一般只能制備簡單的球形液滴、氣泡等。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜流體界面的制備，在作者之前的研究中，他們證明了調(diào)控二維泡沫演化可以形成復(fù)雜的二維氣液界面 (Nat. Commun. 2017, 8, 14110)。利用微結(jié)構(gòu)及浸潤性調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)幾十種不相溶流體間的界面圖案化 (Adv. Mater. 2018, 30, 1802172)。通過Cassie 和Wenzel態(tài)交替出現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)氣泡圖案化制備等（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 12, 1757; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906984）。但這些通過固體結(jié)構(gòu)構(gòu)建的流體界面難以進(jìn)行動力學(xué)調(diào)控。為了研究流體界面的動態(tài)操縱，他們還實(shí)現(xiàn)了界面馬蘭戈尼流動的調(diào)控及應(yīng)用（Angew. Chem. 2020, 132，23892；ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 2, 3454）。然而，目前復(fù)雜三維流體界面的創(chuàng)建和動態(tài)操縱還未被實(shí)現(xiàn)。據(jù)此，本文提出了一種磁驅(qū)動“毛細(xì)容器”來靈活構(gòu)建各種三維流體界面，并實(shí)現(xiàn)了多種運(yùn)動模式和動態(tài)操縱。
本文要點(diǎn)
要點(diǎn)一：三維流體界面創(chuàng)建原理以及“毛細(xì)容器”的設(shè)計(jì)原則
如圖1所示，磁驅(qū)動“毛細(xì)容器”由若干磁珠和一個3D打印固體框架構(gòu)成。當(dāng)毛細(xì)容器穿過不相溶流體1和2的界面時，框架中的流體1可被流體2取代，或被框架捕獲并在流體2中形成三維流體界面。三維流體界面能否形成取決于固體框架、流體1和流體2三者之間的界面能關(guān)系，具體表現(xiàn)為固體框架與流體1和2的浸潤性。當(dāng)固體框架更容易被流體1浸潤時，可形成三維流體界面，反之則發(fā)生流體取代。通過調(diào)控框架的表面浸潤性和幾何結(jié)構(gòu)，文中展示了八種不相溶三維流體界面的創(chuàng)建。
圖1. 三維流體界面創(chuàng)建原理
此外，通過理論分析、數(shù)值模擬并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文中給出了實(shí)現(xiàn)磁驅(qū)動三維流體界面構(gòu)建的邊界條件。磁驅(qū)動毛細(xì)容器必須滿足一定的浸潤性、幾何條件和磁力要求，才能克服表面張力和摩擦阻力來創(chuàng)建三維流體界面。在滿足這些邊界條件下，圖2展示了毛細(xì)容器創(chuàng)建的不同尺寸和幾何形狀的三維水油界面。
圖2. “毛細(xì)容器”的設(shè)計(jì)原則
要點(diǎn)二：“毛細(xì)容器”的多種運(yùn)動模式及動態(tài)操縱
通過改變磁珠分布和磁場運(yùn)動，毛細(xì)容器不僅可以創(chuàng)建穩(wěn)定的三維流體界面，還可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動模式。隨著磁珠數(shù)量的增加，毛細(xì)容器的運(yùn)動自由度逐漸減小。圖3中展示了復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)加翻轉(zhuǎn)、前后翻轉(zhuǎn)、單軸旋轉(zhuǎn)以及平動運(yùn)動。此外，毛細(xì)容器還可以實(shí)現(xiàn)反重力運(yùn)動和液滴釋放。這些動態(tài)操縱在未來有望應(yīng)用于多種生物技術(shù)中，如細(xì)胞遞送，微生物觀察和篩選，以及精準(zhǔn)靶向治療等。
圖3. “毛細(xì)容器”的多種運(yùn)動模式及動態(tài)操縱
要點(diǎn)三：“毛細(xì)容器”在微流體、化學(xué)反應(yīng)、液體封裝及物質(zhì)緩釋及遞送中的應(yīng)用
磁驅(qū)動毛細(xì)容器可實(shí)現(xiàn)靈活的流體操縱，并適用于多種不相溶流體體系。如圖4所示，利用合適浸潤性的磁驅(qū)動毛細(xì)容器可實(shí)現(xiàn)選擇性流體收集，如在水中收集氣泡，在油中收集水。這些操縱可應(yīng)用于微流體管道中氣泡的消除，以及開放微流體中目標(biāo)流體的收集。毛細(xì)容器也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化學(xué)反應(yīng)操縱，如油中無機(jī)催化反應(yīng)，水中有機(jī)反應(yīng)。由于毛細(xì)容器具有流體捕獲和存儲的功能，可將其應(yīng)用于多步反應(yīng)的研究。這種遠(yuǎn)程操縱機(jī)制將促進(jìn)許多涉及危險(xiǎn)或有毒反應(yīng)物或產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)研究，而液體中反應(yīng)操縱則有利于使用空氣敏感試劑的應(yīng)用。
圖4.“毛細(xì)容器”在微流體和化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用
最后，通過結(jié)合界面凝膠反應(yīng)，毛細(xì)容器可快速方便的實(shí)現(xiàn)液體封裝。如圖5所示，通過使用不同幾何形狀的框架，生產(chǎn)出了多種幾何形狀的3D自支撐膜結(jié)構(gòu)。以核黃素（維生素B2）為例，演示了毛細(xì)容器在物質(zhì)緩釋中的應(yīng)用。在未來，磁驅(qū)動毛細(xì)容器有望成為執(zhí)行高效液體包裝、輸送、儲存和 3D 膜生產(chǎn)的多功能平臺，并為生物封裝技術(shù)，液滴實(shí)驗(yàn)，藥物載體，生化微反應(yīng)器提供新的研究思路。
圖5.“毛細(xì)容器”在液體封裝及藥物釋放及遞送中的應(yīng)用
相關(guān)研究論文于 8 月 18 日以“Magnetic-actuated ‘capillary container’ for versatile three-dimensional fluid interface manipulation”為題發(fā)表在期刊 Science Advances ( Sci. Adv. 2021; 7 : eabi7498)上。論文的第一作者為加拿大西安大略大學(xué)博士生張藝媛，通訊作者是加拿大西安大略大學(xué)楊軍教授和黃占東博士。此工作還受到了中國科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷實(shí)驗(yàn)室宋延林課題組老師和同學(xué)的指導(dǎo)和幫助。
原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/34/eabi7498
