復(fù)旦大學(xué)俞燕蕾團(tuán)隊(duì)克服了微流控芯片難題 研發(fā)出全新概念的光控微流體技術(shù)

微流控技術(shù)，是指在微米尺寸級(jí)別下處理或操縱液體的技術(shù)手段，憑其低消耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)，迅速成為研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。然而，為了駕馭液體的流動(dòng)，往往需要許多龐大的外置設(shè)備。

復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系教授俞燕蕾團(tuán)隊(duì)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，克服了微流控芯片“拖家?guī)Э凇钡碾y題，利用光來引導(dǎo)、驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)液體的流動(dòng)，研發(fā)出全新概念的光控微流體技術(shù)。經(jīng)過多年的鉆研，俞燕蕾團(tuán)隊(duì)帶著該技術(shù)亮相2017工博會(huì)。

“看不見的手”：光致形變開創(chuàng)微流控新時(shí)代

說起實(shí)驗(yàn)室，人們首先會(huì)想到一間裝滿各種大型儀器的房間。如今，利用微流體技術(shù)，可以在一塊只有幾平方厘米的芯片上完成相應(yīng)的工作，可謂是“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”。近年來，伴隨微流體芯片的功能日趨完善，相應(yīng)的外置驅(qū)動(dòng)設(shè)備越來越復(fù)雜。這不僅使整個(gè)系統(tǒng)變得龐大臃腫，其通過外部接入的方式驅(qū)動(dòng)流體也讓液體面臨著被污染的危險(xiǎn)。

俞燕蕾團(tuán)隊(duì)長期從事光致形變液晶高分子材料的研究，從根本觀念上進(jìn)行轉(zhuǎn)變，利用微管形變產(chǎn)生的毛細(xì)作用力來推動(dòng)液體的前進(jìn)，讓驅(qū)動(dòng)泵與流體通道合二為一，從而一次性解決“外置設(shè)備過于累贅”和“微量液體易受污染”的兩大難題。

當(dāng)不同光強(qiáng)的光照射于一根微管時(shí)，光強(qiáng)越大處，微管形變程度也越大，于是微管會(huì)從柱形變?yōu)殄F形。濕潤的液體在軸向毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)下，能夠自發(fā)地向錐形毛細(xì)管的細(xì)端移動(dòng)。基于這一原理，通過改變光的強(qiáng)度可以實(shí)時(shí)控制液體流動(dòng)的速度與方向。

談到選擇“光”的理由，俞燕蕾說：“在所有刺激源中，只有光可以做到遠(yuǎn)程的非接觸控制，這一點(diǎn)非常吸引我?！痹诠プx博士期間，俞燕蕾就對(duì)“光控”產(chǎn)生了極大的興趣：“除了非接觸控制外，光本身的可調(diào)控性也很好?！?/p>

就這樣，一直與光打交道的俞燕蕾遇上亟待突破瓶頸的微流控技術(shù)，產(chǎn)生了將兩者結(jié)合的念頭，一種全新概念的光控微流體技術(shù)就此誕生。

從“管”到“片”：光控微流體大顯身手

僅是讓液體在微管內(nèi)流動(dòng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如何將這項(xiàng)技術(shù)真正應(yīng)用于芯片的制造是俞燕蕾團(tuán)隊(duì)最為關(guān)注的。被稱為“芯片實(shí)驗(yàn)室”的微流控芯片，顧名思義，芯片上可以完成一系列實(shí)驗(yàn)室操作，譬如固體的溶解、液體的攪拌與混合等。

通過不斷改變光的強(qiáng)度來使液體來回震蕩來模擬攪拌，利用Y型管使兩種液體融合在一起……將這些微流體關(guān)鍵操作被逐一攻破再整合，俞燕蕾團(tuán)隊(duì)成功地將利用這項(xiàng)新技術(shù)制造出了新型微流控芯片。

“做光控微流體芯片的話，可以比傳統(tǒng)做得小，并且更容易操控?！庇嵫嗬俳榻B道。例如，通過核酸擴(kuò)增來增加核酸濃度時(shí)，需要反復(fù)經(jīng)過不同溫區(qū)。利用傳統(tǒng)的微流控技術(shù)，受制于其單一的前進(jìn)方向，擴(kuò)增的倍數(shù)局限于芯片的設(shè)計(jì)規(guī)模，且還需要許多龐大的儀器作為“后盾”。

所有這些問題在光控微流體技術(shù)下迎刃而解。得益于其操作自由的特點(diǎn)，只需將芯片通路制成環(huán)形使液體不斷在內(nèi)部流動(dòng)，便可達(dá)到遍歷不同溫區(qū)的目標(biāo)，且沒有擴(kuò)增倍數(shù)的限制。

作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究，除卻核酸擴(kuò)增，光控微流體技術(shù)有望在細(xì)胞分析、藥物篩選、臨床診斷等諸多新興領(lǐng)域發(fā)揮作用。液體的檢測(cè)、反應(yīng)、分離等都可以通過微管執(zhí)行器完成，而光控微流體技術(shù)使其擺脫繁瑣的外置驅(qū)動(dòng)設(shè)備，減少液體流動(dòng)限制，使得整個(gè)系統(tǒng)更為簡便和自由。

學(xué)科交叉：未來應(yīng)用擁有無限可能

“很多項(xiàng)目都可以用我們的技術(shù)做，我們今后也想嘗試基于原代細(xì)胞、干細(xì)胞的藥物篩選?！闭劶拔磥淼难芯坑?jì)劃，俞燕蕾這樣說。通過該技術(shù)，可以在利用芯片模擬出肝臟、腎臟等器官功能。如此一來，便可進(jìn)行精準(zhǔn)的臨床前藥物篩選，不但避免了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的物種差異性，更能確定特定人群對(duì)藥物的敏感性。

對(duì)于這樣的美好前景，俞燕蕾坦誠：“這里面有許多技術(shù)難點(diǎn)，涉及到生物檢測(cè)和藥學(xué)的知識(shí)，都是我們之前不熟悉的?！睂?duì)此，俞燕蕾也表示樂于與不同學(xué)科背景的學(xué)生交流?！拔覀儗?shí)驗(yàn)室也歡迎各種藥學(xué)、化學(xué)、生物之類的同學(xué)加入。”目前，俞燕蕾課題組與許多來自于不同背景的研究者合作——材料、分析化學(xué)、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)等。這樣一支學(xué)科交叉的項(xiàng)目合作團(tuán)隊(duì)，在俞燕蕾的管理下井井有條，博于團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目，精于自己的研究。

在當(dāng)前大背景下，未來的研究領(lǐng)域必是充滿著不同學(xué)科間的融合?！皬?fù)旦是個(gè)很好的平臺(tái)，有很多實(shí)力強(qiáng)大的學(xué)科?！庇嵫嗬賹?duì)未來的交叉學(xué)科之路充滿信心：“我們這個(gè)項(xiàng)目特別適合。”