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复旦大学俞燕蕾团队研发出全新概念的光控微流体新技术

微流控技术,是指在微米尺寸级别下处理或操纵液体的技术手段,凭其低消耗、低成本的优点,迅速成为研究领域的热点。然而,为了驾驭液体的流动,往往需要许多庞大的外置设备。

复旦大学材料科学系教授俞燕蕾团队创造性地采用自主研发的新型液晶高分子光致形变材料克服了微流控芯片“拖家带口”的难题利用光来引导、驱动和制动液体的流动,研发出全新概念的光控微流体技术。经过多年的钻研,俞燕蕾团队带着该技术亮相2017工博会。

“看不见的手”:光致形变开创微流控新时代

说起实验室,人们首先会想到一间装满各种大型仪器的房间。如今,利用微流体技术,可以在一块只有几平方厘米的芯片上完成相应的工作,可谓是“芯片上的实验室”。近年来,伴随微流体芯片的功能日趋完善,相应的外置驱动设备越来越复杂。这不仅使整个系统变得庞大臃肿,其通过外部接入的方式驱动流体也让液体面临着被污染的危险。

俞燕蕾团队长期从事光致形变液晶高分子材料的研究,从根本观念上进行转变,利用微管形变产生的毛细作用力来推动液体的前进,让驱动与流体通道合二为一,从而一次性解决“外置设备过于累赘”和“微量液体易受污染”的两大难题。

当不同光强的光照射于一根微管时,光强越大处,微管形变程度也越大,于是微管会从柱形变为锥形。湿润的液体在轴向毛细作用力驱动下,能够自发地向锥形毛细管的细端移动。基于这一原理,通过改变光的强度可以实时控制液体流动的速度与方向。

谈到选择“光”的理由,俞燕蕾说:“在所有刺激源中,只有光可以做到远程的非接触控制,这一点非常吸引我。”在攻读博士期间,俞燕蕾就对“光控”产生了极大的兴趣:“除了非接触控制外,光本身的可调控性也很好。”

就这样,一直与光打交道的俞燕蕾遇上亟待突破瓶颈的微流控技术,产生了将两者结合的念头,一种全新概念的光控微流体技术就此诞生。

复旦大学俞燕蕾团队研发出全新概念的光控微流体新技术

“管”到“片”:光控微流体大显身手

仅是让液体在微管内流动是远远不够的,如何将这项技术真正应用于芯片的制造是俞燕蕾团队最为关注的。被称为“芯片实验室”的微流控芯片,顾名思义,芯片上可以完成一系列实验室操作,譬如固体的溶解、液体的搅拌与混合等。

通过不断改变光的强度来使液体来回震荡来模拟搅拌,利用Y型管使两种液体融合在一起……将这些微流体关键操作被逐一攻破再整合,俞燕蕾团队成功地将利用这项新技术制造出了新型微流控芯片。

“做光控微流体芯片的话,可以比传统做得小,并且更容易操控。”俞燕蕾介绍道。例如,通过核酸扩增来增加核酸浓度时,需要反复经过不同温区。利用传统的微流控技术,受制于其单一的前进方向,扩增的倍数局限于芯片的设计规模,且还需要许多庞大的仪器作为“后盾”。

所有这些问题在光控微流体技术下迎刃而解。得益于其操作自由的特点,只需将芯片通路制成环形使液体不断在内部流动,便可达到遍历不同温区的目标,且没有扩增倍数的限制。

作为一项基础性研究,除却核酸扩增,光控微流体技术有望在细胞分析、药物筛选、临床诊断等诸多新兴领域发挥作用。液体的检测、反应、分离等都可以通过微管执行器完成,而光控微流体技术使其摆脱繁琐的外置驱动设备,减少液体流动限制,使得整个系统更为简便和自由。

光控微流体芯片

学科交叉:未来应用拥有无限可能

“很多项目都可以用我们的技术做,我们今后也想尝试基于原代细胞、干细胞的药物筛选”谈及未来的研究计划,俞燕蕾这样说。通过该技术,可以在利用芯片模拟出肝脏、肾脏等器官功能。如此一来,便可进行精准的临床前药物筛选,不但避免了动物实验的物种差异性,更能确定特定人群对药物的敏感性

对于这样的美好前景,俞燕蕾坦诚:“这里面有许多技术难点,涉及到生物检测和药学的知识,都是我们之前不熟悉的。”对此,俞燕蕾也表示乐于与不同学科背景的学生交流。“我们实验室也欢迎各种药学、化学、生物之类的同学加入。”目前,俞燕蕾课题组与许多来自于不同背景的研究者合作——材料、分析化学、药学、医学等。这样一支学科交叉的项目合作团队,在俞燕蕾的管理下井井有条,博于团队的项目,精于自己的研究。

在当前大背景下,未来的研究领域必是充满着不同学科间的融合。“复旦是个很好的平台,有很多实力强大的学科。”俞燕蕾对未来的交叉学科之路充满信心:“我们这个项目特别适合。”

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