液体做管道：上Nature的这个微流控系统不一般

1990年Manz等人在芯片上实现了电泳分离，并首次提出微型全分析系统（Miniaturized Total Analysis System）的概念，开启了微流控芯片技术的研究热潮 ^[1]。随着研究论文数量的增多，2001年，RSC杂志社创办了Lab on a Chip 期刊，很快就成为该领域的主流刊物，引领世界范围微流控芯片的研究。2006年，Nature 杂志发表了一期题为“Lab on a Chip”专辑，从不同角度阐述了芯片实验室的研究历史、现状和应用前景，并在文献中评论：“芯片实验室可能成为这一世纪的技术” ^[2,3]。

微流控芯片。图片来源：Nature ^[2]

微流控系统，就是在微米尺度空间对流体进行操控，将生物、化学等大型实验室的基本功能微缩到一个数平方厘米芯片上。如今，微流控芯片已经发展成为一种技术平台，既可以应用于化学分析、生物医学分析、食品检验，又可以作为微反应器进行药物、纳米粒子、微球等合成，还能作为器官芯片，用于仿真人体器官中的功能单元。

微流控芯片生物分析示意图。图片来源：Nature ^[4]

当然，万变不离其宗，再复杂的微流控芯片都是由细小的微通道、微泵、微阀构成。随着微流控芯片越来越精细和小型化，微通道的材料选择变得尤为重要，因为通道的管壁和流体间的剪切力会影响流体的流速。甚至，就算严格按照微流控芯片的操作流程进行实验，也难免遇到故障，气泡或液体中的杂质会时不时堵塞微通道，让实验不得不从头再来。

如何解决这些问题呢？科学家们也开发了多种手段来减少流体与管壁的相互作用，比如超疏水涂层、液体灌注的多孔表面、电润湿、原子级平坦通道等等，有效是有效，但无法彻底解决问题。这么看来，微通道管壁的固体材料是不是显得有点碍事？能不能干脆不要算了？液滴微流体（droplet microfluidics）和鞘流（sheath flow）还真就可以实现这一点，但又要求中心液体和周围液体的连续流动。有没有更简单、更通用的方法呢？

近日，法国斯特拉斯堡大学Thomas M. Hermans课题组的研究者抛弃了微流控系统微通道管壁常用的固体材料，改用由四极磁场稳定的磁性液体作为液体管壁（antitube），构建了水性微流体通道。也就是说，水性微流体在不混溶的磁性液体的包围下流动。这样一来，流体与管壁的相互作用大大降低，近乎无摩擦，而且这种液体管壁可自愈，无堵塞风险，还能方便地实现阀开关、分流、合并和泵送等流体控制功能。相关论文发表于Nature 杂志。

液体管壁微流体通道设计示意图及照片。图片来源：Nature

这个idea听起来有点玄，但实现的方法其实并不难，关键在于磁流体之外的四块钕铁硼磁铁所形成的四极磁场，保证中心线磁场为零，这样磁流体就能在零磁场中心线处形成一个液体管壁的微通道（上图a-b）。作者用了多种磁流体，其中铁磁流体（Fe₃O₄纳米粒子悬浮在载液中形成的胶体性液体）可以实现更强的磁约束但不透明，而一种被称为“MagOil”的稀土基顺磁性油却是透明的，可以清晰地看到微通道内流过的液体。通过X射线成像和断层扫描可以看到铁磁流体中的确形成了液体管壁的水性流体微通道，直径为81 μm（上图c-f）。使用不同的磁流体，研究者们可以控制微通道的直径，他们实验中最小的直径可以到14 ± 2 μm，理论上甚至可以缩小到1 μm以下。铁磁流体中，直径为1 mm的液体管壁微通道可实现约40 ml/min的流量。此外，Fe₃O₄纳米粒子到水中的相转移非常低，测得的铁浓度大多低于1 ppm。

在常规微流控系统中让人挠头的气泡问题，对于这套系统来说可以非常简单粗暴的轻松解决——戳一戳、搅一搅气泡就会自己浮起来，脱离微流控系统。

去除气泡。图片来源：Nature

上面的例子只是这个新型微流控系统良好“自愈”功能的一个例证。液体管壁不怕杂质的侵入，无论用异物切断流体，甚至放入比微通道直径大的玻璃珠，也不会影响微通道内流体的流动，避免了堵塞造成的实验停工（呃……又少了一个不做实验的借口……）。

具有“自愈”功能的液体管壁微流体通道。图片来源：Nature

液体在液体中流动的另一个优点是几乎没有摩擦。研究者将蜂蜜放在三个碗中，碗的下边开口处分别连接液体管壁微流体通道（左）和传统微流体通道（右），中间的碗不连接任何装置作为对比。可以看出，仅在重力作用下，高粘度的蜂蜜在传统微通道中几乎无法流动，而液体管壁微通道中液体流速与不连接任何装置的相当，说明蜂蜜与液体管壁的摩擦力几乎可以忽略不计。这为提高微流控芯片的流速提供了基础。

蜂蜜滴落对比实验。图片来源：Nature

这种以磁性液体为液体管壁的微流控系统，还能通过控制磁场方便、无接触地实现阀开关、分流、混合和泵送等微流体控制功能。以微通道的阀开关为例，使用一个或两个纵向磁化的磁铁靠近微通道中心，由于破坏了通道中心线处的零磁场，通道外侧的磁流体会挤压通道，“掐断”液体流动，相当于微阀关闭；而拿走磁铁之后，通道中心线处的零磁场恢复，相当于微阀打开，微通道恢复畅通（下图d-e）。

通过控制磁场实现微流体控制。图片来源：Nature

更酷还在后面，基于与磁控微阀一样的原理，研究者设计了一种“磁蠕动泵（Qpump）”（上图g）。“磁蠕动泵”中磁铁安装在转子和定子上，通过转子旋转，磁场带来的压力推动微通道中液体流动。实验证明，这种“磁蠕动泵”可产生高达900 mbar的压力和32.7 ± 0.3 mL•min^-1的液体流速（上图h）。

Qpump泵送液体。图片来源：Nature

这种“磁蠕动泵”中没有用到固体管壁，大大降低了管壁和流体的剪切力，因此在血液输送中显示出独特的优势。用传统“蠕动泵”输送血液时，剪切力会导致红细胞破裂，释放血红蛋白。高浓度游离的血红蛋白具有细胞毒性，临床上称之为“溶血”。而利用新型液体管壁的“磁蠕动泵”，可以极大地缓解溶血现象，输送全血不产生任何不良影响。

利用“磁蠕动泵”输送血液。图片来源：Nature

很明显，这种通过磁场控制液体在液体流动策略为微流控技术打开了一扇新的大门，可以实现当前常规微流控技术无法实现的微通道控制和低压力液体流动。作者希望这种技术能在医学（比如手术中为体外循环设备泵送血液）以及纳流控技术中得到进一步应用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

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

参考文献：

1. Manz A, Graber N, Widmer H M. Miniaturized total chemical analysis systems: A novel concept for chemical sensing. Sensors Actuat. B: Chem., 1990, 1, 244-248. DOI: 10.1016/0925-4005(90)80209-i

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/092540059080209I

2. Whitesides G. The origins and the future of microfluidics. Nature, 2006, 442, 368-373. DOI: 10.1038/nature05058

https://www.nature.com/articles/nature05058

3. Daw R, Finkelstein J. Lab on a chip. Nature, 2006, 442, 367. DOI: 10.1038/442367a

https://www.nature.com/articles/442367a

4. El-Ali J, Sorger P K, Jensen K F. Cells on chips. Nature, 2006, 442, 403-411. DOI: 10.1038/nature05063

https://www.nature.com/articles/nature05063

（本文由小希供稿）