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

微流控芯片。圖片來源：Nature ^[2]

微流控系統，就是在微米尺度空間對流體進行操控，將生物、化學等大型實驗室的基本功能微縮到一個數平方厘米芯片上。如今，微流控芯片已經發展成為一種技術平臺，既可以應用于化學分析、生物醫學分析、食品檢驗，又可以作為微反應器進行藥物、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]

當然，萬變不離其宗，再復雜的微流控芯片都是由細小的微通道、微泵、微閥構成。隨著微流控芯片越來越精細和小型化，微通道的材料選擇變得尤為重要，因為通道的管壁和流體間的剪切力會影響流體的流速。甚至，就算嚴格按照微流控芯片的操作流程進行實驗，也難免遇到故障，氣泡或液體中的雜質會時不時堵塞微通道，讓實驗不得不從頭再來。

如何解決這些問題呢？科學家們也開發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）還真就可以實現這一點，但又要求中心液體和周圍液體的連續流動。有沒有更簡單、更通用的方法呢？

近日，法國斯特拉斯堡大學Thomas M. Hermans課題組的研究者拋棄了微流控系統微通道管壁常用的固體材料，改用由四極磁場穩定的磁性液體作為液體管壁（antitube），構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。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，無堵塞風險，還能方便地實現閥開關、分流、合并和泵送等流體控制功能。相關論文發表于Nature 雜志。

液體管壁微流體通道設計示意圖及照片。圖片來源：Nature

這個idea聽起來有點玄，但實現的方法其實并不難，關鍵在于磁流體之外的四塊釹鐵硼磁鐵所形成的四極磁場，保證中心線磁場為零，這樣磁流體就能在零磁場中心線處形成一個液體管壁的微通道（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）可以實現更強的磁約束但不透明，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，他們實驗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現約40 ml/min的流量。此外，Fe₃O₄納米粒子到水中的相轉移非常低，測得的鐵濃度大多低于1 ppm。

在常規微流控系統中讓人撓頭的氣泡問題，對于這套系統來說可以非常簡單粗暴的輕松解決——戳一戳、攪一攪氣泡就會自己浮起來，脫離微流控系統。

去除氣泡。圖片來源：Nature

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

具有“自愈”功能的液體管壁微流體通道。圖片來源：Nature

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

蜂蜜滴落對比實驗。圖片來源：Nature

這種以磁性液體為液體管壁的微流控系統，還能通過控制磁場方便、無接觸地實現閥開關、分流、混合和泵送等微流體控制功能。以微通道的閥開關為例，使用一個或兩個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，通道外側的磁流體會擠壓通道，“掐斷”液體流動，相當于微閥關閉；而拿走磁鐵之后，通道中心線處的零磁場恢復，相當于微閥打開，微通道恢復暢通（下圖d-e）。

通過控制磁場實現微流體控制。圖片來源：Nature

更酷還在后面，基于與磁控微閥一樣的原理，研究者設計了一種“磁蠕動泵（Qpump）”（上圖g）。“磁蠕動泵”中磁鐵安裝在轉子和定子上，通過轉子旋轉，磁場帶來的壓力推動微通道中液體流動。實驗證明，這種“磁蠕動泵”可產生高達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特的優勢。用傳統“蠕動泵”輸送血液時，剪切力會導致紅細胞破裂，釋放血紅蛋白。高濃度游離的血紅蛋白具有細胞毒性，臨床上稱之為“溶血”。而利用新型液體管壁的“磁蠕動泵”，可以極大地緩解溶血現象，輸送全血不產生任何不良影響。

利用“磁蠕動泵”輸送血液。圖片來源：Nature

很明顯，這種通過磁場控制液體在液體流動策略為微流控技術打開了一扇新的大門，可以實現當前常規微流控技術無法實現的微通道控制和低壓力液體流動。作者希望這種技術能在醫學（比如手術中為體外循環設備泵送血液）以及納流控技術中得到進一步應用。

原文（掃描或長按二維碼，識別后直達原文頁面）：

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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