加拿大西安大略大学杨军课题组《Sci. Adv.》:用于多功能三维流体界面操纵的磁驱动“毛细容器”

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近日，加拿大西安大略大学杨军教授（目前在电子科技大学深圳高等研究院工作）课题组提出了一种磁驱动的“毛细容器”来实现三维流体界面创建和可编程动态操纵。通过调控“毛细容器”的浸润性，在空气、水和油中构建了预定尺寸和几何形状的 3D 流体界面。通过调整毛细容器的结构和磁场运动，实现了多种灵活的运动模式和操纵。同时，利用毛细容器远程操纵了选择性流体收集和多种化学反应，证明了其在不同流体体系中的可行性。结合界面胶凝反应，容器可快速实现液体封装，并生成各种自支撑 3D 膜结构。利用此液体封装过程，演示了核黄素（维生素 B2）的缓释过程。与传统微流体设备相比，毛细容器在流体处理和生物应用方面具有一些独特的优势。例如：易于制造和使用，消除了气泡捕获和堵塞问题；适用于多细胞球体和组织切片等大型生物样品；可独立操纵捕获的目标样品；可选择性提取分析和局部刺激目标样本；可创建稳定的 3D 流体界面，为生物流体界面研究提供平台。此外，与通常的开放式微流体设备相比，毛细容器简单易于使用，可根据不同需求轻松实现定制，无需复杂和昂贵的设备。因此，该多功能毛细容器将为开放微流体、界面化学和生物医学工程提供全新的研究平台。

流体界面，包括气-液界面和液-液界面，在自然界中无处不在并广泛应用于工业应用中。它们可以是空气中的水滴、水下的气泡、水油乳液、肥皂泡沫等。流体界面上物理参数的突变可触发扩散、反应、吸附、不稳定性、蒸发、自组装和声共振等基本界面过程。这些过程是化学、物理学、生物学和材料科学中众多现象的研究基石。例如，蒸发是水循环、能量转换、高分辨率印刷和表面图案化的重要驱动力。气泡的声共振已被广泛用于超声成像、声镊和超材料。界面反应和扩散是化学合成、药物释放、提取和分离的基础。吸附有利于水处理、泡沫浮选和食品加工。灵活构建流体界面，有助于人们更好地理解、控制和利用这些重要的过程，对推进界面过程研究和技术革新至关重要。然而，由于流体的不稳定性和流动性，流体界面的精确控制仍面临巨大的挑战，尤其是稳定三维流体界面的创建及其可编程动态操纵。

在现有技术中，微流体设备一般只能制备简单的球形液滴、气泡等。为了实现复杂流体界面的制备，在作者之前的研究中，他们证明了调控二维泡沫演化可以形成复杂的二维气液界面 (Nat. Commun. 2017, 8, 14110)。利用微结构及浸润性调控，可实现几十种不相溶流体间的界面图案化 (Adv. Mater. 2018, 30, 1802172)。通过Cassie 和Wenzel态交替出现，可实现气泡图案化制备等（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 12, 1757; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906984）。但这些通过固体结构构建的流体界面难以进行动力学调控。为了研究流体界面的动态操纵，他们还实现了界面马兰戈尼流动的调控及应用（Angew. Chem. 2020, 132，23892；ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 2, 3454）。然而，目前复杂三维流体界面的创建和动态操纵还未被实现。据此，本文提出了一种磁驱动“毛细容器”来灵活构建各种三维流体界面，并实现了多种运动模式和动态操纵。

本文要点

要点一：三维流体界面创建原理以及“毛细容器”的设计原则

如图1所示，磁驱动“毛细容器”由若干磁珠和一个3D打印固体框架构成。当毛细容器穿过不相溶流体1和2的界面时，框架中的流体1可被流体2取代，或被框架捕获并在流体2中形成三维流体界面。三维流体界面能否形成取决于固体框架、流体1和流体2三者之间的界面能关系，具体表现为固体框架与流体1和2的浸润性。当固体框架更容易被流体1浸润时，可形成三维流体界面，反之则发生流体取代。通过调控框架的表面浸润性和几何结构，文中展示了八种不相溶三维流体界面的创建。



图1. 三维流体界面创建原理

此外，通过理论分析、数值模拟并结合实验结果，文中给出了实现磁驱动三维流体界面构建的边界条件。磁驱动毛细容器必须满足一定的浸润性、几何条件和磁力要求，才能克服表面张力和摩擦阻力来创建三维流体界面。在满足这些边界条件下，图2展示了毛细容器创建的不同尺寸和几何形状的三维水油界面。



图2. “毛细容器”的设计原则

要点二：“毛细容器”的多种运动模式及动态操纵

通过改变磁珠分布和磁场运动，毛细容器不仅可以创建稳定的三维流体界面，还可以实现多种运动模式。随着磁珠数量的增加，毛细容器的运动自由度逐渐减小。图3和视频中展示了复杂的旋转加翻转、前后翻转、单轴旋转以及平动运动。此外，毛细容器还可以实现反重力运动和液滴释放。这些动态操纵在未来有望应用于多种生物技术中，如细胞递送，微生物观察和筛选，以及精准靶向治疗等。



图3. “毛细容器”的多种运动模式及动态操纵



video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_2009370034556469252

（动态视频）

要点三：“毛细容器”在微流体、化学反应、液体封装及物质缓释及递送中的应用

磁驱动毛细容器可实现灵活的流体操纵，并适用于多种不相溶流体体系。如图4所示，利用合适浸润性的磁驱动毛细容器可实现选择性流体收集，如在水中收集气泡，在油中收集水。这些操纵可应用于微流体管道中气泡的消除，以及开放微流体中目标流体的收集。毛细容器也可实现远程化学反应操纵，如油中无机催化反应，水中有机反应。由于毛细容器具有流体捕获和存储的功能，可将其应用于多步反应的研究。这种远程操纵机制将促进许多涉及危险或有毒反应物或产物的化学反应研究，而液体中反应操纵则有利于使用空气敏感试剂的应用。



图4.“毛细容器”在微流体和化学反应中的应用

最后，通过结合界面凝胶反应，毛细容器可快速方便的实现液体封装。如图5所示，通过使用不同几何形状的框架，生产出了多种几何形状的3D自支撑膜结构。以核黄素（维生素B2）为例，演示了毛细容器在物质缓释中的应用。在未来，磁驱动毛细容器有望成为执行高效液体包装、输送、储存和 3D 膜生产的多功能平台，并为生物封装技术，液滴实验，药物载体，生化微反应器提供新的研究思路。



图5.“毛细容器”在液体封装及药物释放及递送中的应用

相关研究论文于 8 月 18 日以“Magnetic-actuated ‘capillary container’ for versatile three-dimensional fluid interface manipulation”为题发表在期刊 Science Advances ( Sci. Adv. 2021; 7 : eabi7498)上。论文的第一作者为加拿大西安大略大学博士生张艺媛，通讯作者是加拿大西安大略大学杨军教授和黄占东博士。此工作还受到了中国科学院化学研究所绿色印刷实验室宋延林课题组老师和同学的指导和帮助。

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/34/eabi7498

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