1990年Manz等人在芯片上實(shí)現(xiàn)了電泳分離，并首次提出微型全分析系統(tǒng)（Miniaturized Total Analysis System）的概念，開啟了微流控芯片技術(shù)的研究熱潮 ^[1]。隨著研究論文數(shù)量的增多，2001年，RSC雜志社創(chuàng)辦了Lab on a Chip 期刊，很快就成為該領(lǐng)域的主流刊物，引領(lǐng)世界范圍微流控芯片的研究。2006年，Nature 雜志發(fā)表了一期題為“Lab on a Chip”專輯，從不同角度闡述了芯片實(shí)驗(yàn)室的研究歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，并在文獻(xiàn)中評(píng)論：“芯片實(shí)驗(yàn)室可能成為這一世紀(jì)的技術(shù)” ^[2,3]。

微流控芯片。圖片來源：Nature ^[2]

微流控系統(tǒng)，就是在微米尺度空間對(duì)流體進(jìn)行操控，將生物、化學(xué)等大型實(shí)驗(yàn)室的基本功能微縮到一個(gè)數(shù)平方厘米芯片上。如今，微流控芯片已經(jīng)發(fā)展成為一種技術(shù)平臺(tái)，既可以應(yīng)用于化學(xué)分析、生物醫(yī)學(xué)分析、食品檢驗(yàn)，又可以作為微反應(yīng)器進(jìn)行藥物、納米粒子、微球等合成，還能作為器官芯片，用于仿真人體器官中的功能單元。

微流控芯片生物分析示意圖。圖片來源：Nature ^[4]

當(dāng)然，萬變不離其宗，再復(fù)雜的微流控芯片都是由細(xì)小的微通道、微泵、微閥構(gòu)成。隨著微流控芯片越來越精細(xì)和小型化，微通道的材料選擇變得尤為重要，因?yàn)橥ǖ赖墓鼙诤土黧w間的剪切力會(huì)影響流體的流速。甚至，就算嚴(yán)格按照微流控芯片的操作流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也難免遇到故障，氣泡或液體中的雜質(zhì)會(huì)時(shí)不時(shí)堵塞微通道，讓實(shí)驗(yàn)不得不從頭再來。

如何解決這些問題呢？科學(xué)家們也開發(fā)了多種手段來減少流體與管壁的相互作用，比如超疏水涂層、液體灌注的多孔表面、電潤濕、原子級(jí)平坦通道等等，有效是有效，但無法徹底解決問題。這么看來，微通道管壁的固體材料是不是顯得有點(diǎn)礙事？能不能干脆不要算了？液滴微流體（droplet microfluidics）和鞘流（sheath flow）還真就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但又要求中心液體和周圍液體的連續(xù)流動(dòng)。有沒有更簡(jiǎn)單、更通用的方法呢？

近日，法國斯特拉斯堡大學(xué)Thomas M. Hermans課題組的研究者拋棄了微流控系統(tǒng)微通道管壁常用的固體材料，改用由四極磁場(chǎng)穩(wěn)定的磁性液體作為液體管壁（antitube），構(gòu)建了水性微流體通道。也就是說，水性微流體在不混溶的磁性液體的包圍下流動(dòng)。這樣一來，流體與管壁的相互作用大大降低，近乎無摩擦，而且這種液體管壁可自愈，無堵塞風(fēng)險(xiǎn)，還能方便地實(shí)現(xiàn)閥開關(guān)、分流、合并和泵送等流體控制功能。相關(guān)論文發(fā)表于Nature 雜志。

液體管壁微流體通道設(shè)計(jì)示意圖及照片。圖片來源：Nature

這個(gè)idea聽起來有點(diǎn)玄，但實(shí)現(xiàn)的方法其實(shí)并不難，關(guān)鍵在于磁流體之外的四塊釹鐵硼磁鐵所形成的四極磁場(chǎng)，保證中心線磁場(chǎng)為零，這樣磁流體就能在零磁場(chǎng)中心線處形成一個(gè)液體管壁的微通道（上圖a-b）。作者用了多種磁流體，其中鐵磁流體（Fe₃O₄納米粒子懸浮在載液中形成的膠體性液體）可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的磁約束但不透明，而一種被稱為“MagOil”的稀土基順磁性油卻是透明的，可以清晰地看到微通道內(nèi)流過的液體。通過X射線成像和斷層掃描可以看到鐵磁流體中的確形成了液體管壁的水性流體微通道，直徑為81 μm（上圖c-f）。   使用不同的磁流體，研究者們可以控制微通道的直徑，他們實(shí)驗(yàn)中最小的直徑可以到14 ± 2 μm，理論上甚至可以縮小到1 μm以下。鐵磁流體中，直徑為1 mm的液體管壁微通道可實(shí)現(xiàn)約40 ml/min的流量。此外，F(xiàn)e₃O₄納米粒子到水中的相轉(zhuǎn)移非常低，測(cè)得的鐵濃度大多低于1 ppm。

在常規(guī)微流控系統(tǒng)中讓人撓頭的氣泡問題，對(duì)于這套系統(tǒng)來說可以非常簡(jiǎn)單粗暴的輕松解決——戳一戳、攪一攪氣泡就會(huì)自己浮起來，脫離微流控系統(tǒng)。

去除氣泡。圖片來源：Nature

上面的例子只是這個(gè)新型微流控系統(tǒng)良好“自愈”功能的一個(gè)例證。液體管壁不怕雜質(zhì)的侵入，無論用異物切斷流體，甚至放入比微通道直徑大的玻璃珠，也不會(huì)影響微通道內(nèi)流體的流動(dòng)，避免了堵塞造成的實(shí)驗(yàn)停工（呃……又少了一個(gè)不做實(shí)驗(yàn)的借口……）。

具有“自愈”功能的液體管壁微流體通道。圖片來源：Nature

液體在液體中流動(dòng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是幾乎沒有摩擦。研究者將蜂蜜放在三個(gè)碗中，碗的下邊開口處分別連接液體管壁微流體通道（左）和傳統(tǒng)微流體通道（右），中間的碗不連接任何裝置作為對(duì)比?？梢钥闯?，僅在重力作用下，高粘度的蜂蜜在傳統(tǒng)微通道中幾乎無法流動(dòng)，而液體管壁微通道中液體流速與不連接任何裝置的相當(dāng)，說明蜂蜜與液體管壁的摩擦力幾乎可以忽略不計(jì)。這為提高微流控芯片的流速提供了基礎(chǔ)。

蜂蜜滴落對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖片來源：Nature

這種以磁性液體為液體管壁的微流控系統(tǒng)，還能通過控制磁場(chǎng)方便、無接觸地實(shí)現(xiàn)閥開關(guān)、分流、混合和泵送等微流體控制功能。以微通道的閥開關(guān)為例，使用一個(gè)或兩個(gè)縱向磁化的磁鐵靠近微通道中心，由于破壞了通道中心線處的零磁場(chǎng)，通道外側(cè)的磁流體會(huì)擠壓通道，“掐斷”液體流動(dòng)，相當(dāng)于微閥關(guān)閉；而拿走磁鐵之后，通道中心線處的零磁場(chǎng)恢復(fù)，相當(dāng)于微閥打開，微通道恢復(fù)暢通（下圖d-e）。

通過控制磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)微流體控制。圖片來源：Nature

更酷還在后面，基于與磁控微閥一樣的原理，研究者設(shè)計(jì)了一種“磁蠕動(dòng)泵（Qpump）”（上圖g）?！按湃鋭?dòng)泵”中磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子和定子上，通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，磁場(chǎng)帶來的壓力推動(dòng)微通道中液體流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)證明，這種“磁蠕動(dòng)泵”可產(chǎn)生高達(dá)900 mbar的壓力和32.7 ± 0.3 mL?min^-1的液體流速（上圖h）。

Qpump泵送液體。圖片來源：Nature

這種“磁蠕動(dòng)泵”中沒有用到固體管壁，大大降低了管壁和流體的剪切力，因此在血液輸送中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。用傳統(tǒng)“蠕動(dòng)泵”輸送血液時(shí)，剪切力會(huì)導(dǎo)致紅細(xì)胞破裂，釋放血紅蛋白。高濃度游離的血紅蛋白具有細(xì)胞毒性，臨床上稱之為“溶血”。而利用新型液體管壁的“磁蠕動(dòng)泵”，可以極大地緩解溶血現(xiàn)象，輸送全血不產(chǎn)生任何不良影響。

利用“磁蠕動(dòng)泵”輸送血液。圖片來源：Nature

很明顯，這種通過磁場(chǎng)控制液體在液體流動(dòng)策略為微流控技術(shù)打開了一扇新的大門，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前常規(guī)微流控技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的微通道控制和低壓力液體流動(dòng)。作者希望這種技術(shù)能在醫(yī)學(xué)（比如手術(shù)中為體外循環(huán)設(shè)備泵送血液）以及納流控技術(shù)中得到進(jìn)一步應(yīng)用。

原文（掃描或長按二維碼，識(shí)別后直達(dá)原文頁面）：

Liquid flow and control without solid walls

Peter Dunne, Takuji Adachi, Arvind Arun Dev, Alessandro Sorrenti, Lucas Giacchetti, Anne Bonnin, Catherine Bourdon, Pierre H. Mangin, J. M. D. Coey, Bernard Doudin, Thomas M. Hermans

Nature, 2020, 581, 58–62, DOI: 10.1038/s41586-020-2254-4

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