中國(guó)科大在微流動(dòng)技術(shù)開發(fā)方面取得新突破
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】微流動(dòng)技術(shù)是指在微觀尺寸下控制、操作和檢測(cè)復(fù)雜流體的技術(shù)，是在微電子、微機(jī)械、生物工程和納米技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門全新交叉學(xué)科。在生物、化學(xué)、材料等科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要對(duì)流體進(jìn)行操作，如樣品DNA的制備、液相色譜、PCR反應(yīng)、電泳檢測(cè)等操作都是在液相環(huán)境中進(jìn)行。如果要將樣品制備、生化反應(yīng)、結(jié)果檢測(cè)等步驟集成到生物芯片上，則實(shí)驗(yàn)所用流體的量就從毫升、微升級(jí)降至納升或皮升級(jí)，這時(shí)功能強(qiáng)大的微流動(dòng)裝置就顯得必不可少了。因此隨著生物芯片技術(shù)的發(fā)展，微流動(dòng)技術(shù)作為生物芯片的一項(xiàng)關(guān)鍵支撐技術(shù)也得到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。
然而，傳統(tǒng)的微流控芯片和玻璃毛細(xì)管等技術(shù)采用封閉式通道結(jié)構(gòu)，其流動(dòng)過程嚴(yán)重依賴于壁面潤(rùn)濕性和介質(zhì)的物理化學(xué)屬性，在一定程度上限制了微流動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。相比之下，開放式微流動(dòng)技術(shù)具有自由的流體邊界和敞開的流動(dòng)空間，能夠更靈活地引導(dǎo)、設(shè)計(jì)和固化流體模板，尤其適用于高粘度、高密度以及多場(chǎng)耦合等復(fù)雜條件下的微量流體操縱。通過開發(fā)微流動(dòng)新技術(shù)，功能材料制造過程變得更加靈活、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)。
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院特任副研究員朱志強(qiáng)、教授司廷和教授徐曉嶸在微納尺度流動(dòng)理論和調(diào)控方面取得新突破，提出無邊界約束的開放式微流動(dòng)方法，實(shí)現(xiàn)從零維到三維材料的先進(jìn)制造。
研究人員介紹，他們提出的新技術(shù)克服傳統(tǒng)封閉式微通道的局限性，具有生產(chǎn)效率高、材料適用性廣、易于集成化和工業(yè)化等特點(diǎn)，在微球和微膠囊制備、增材制造、生物醫(yī)學(xué)、能源環(huán)境、傳感和微型機(jī)器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景。
近年來，該研究團(tuán)隊(duì)在微流動(dòng)技術(shù)開發(fā)與先進(jìn)材料制造等方面取得系列進(jìn)展。在微流動(dòng)基礎(chǔ)研究方面，將不穩(wěn)定性理論與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、數(shù)值模擬相結(jié)合，建立了力熱、力電等耦合條件下多相流體界面不穩(wěn)定性理論方法，獲得了多介質(zhì)微流動(dòng)中復(fù)合射流與控制參數(shù)間的尺度律關(guān)系，揭示了流體界面擾動(dòng)發(fā)展的物理規(guī)律，闡明了不同作用力對(duì)界面不穩(wěn)定性及界面耦合的作用機(jī)制，理論模型成功預(yù)測(cè)了實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)合射流、電射流、熱射流等流動(dòng)規(guī)律。
在微流動(dòng)技術(shù)開發(fā)方面，研究團(tuán)隊(duì)已提出了主動(dòng)激勵(lì)流動(dòng)聚焦、旋轉(zhuǎn)流動(dòng)聚焦、動(dòng)態(tài)界面剪切和可編程氣動(dòng)打印等無邊界約束的新方法，自主研制了高產(chǎn)能、智能可控的精細(xì)霧化和功能性微膠囊制造設(shè)備，成功制備了不同結(jié)構(gòu)和功能的微納顆粒、膠囊和纖維，為先進(jìn)材料制造、生命科學(xué)研究、生物傳感分析等領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的工具。
在微流動(dòng)實(shí)際應(yīng)用方面，克服了寬Z數(shù)多界面微液滴的可編程3D打印難題，成功實(shí)現(xiàn)了藥物在多種外部刺激作用下的精準(zhǔn)可控釋放，獲得了“節(jié)點(diǎn)+溝槽”形超快集水微纖維的精準(zhǔn)制造，突破了基于液滴體積及響應(yīng)性材料的智能信息加密及存儲(chǔ)，顯著提升了微型機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)行效率等。
結(jié)合國(guó)內(nèi)外微流動(dòng)技術(shù)的最新進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)撰寫的長(zhǎng)篇綜述Free-Boundary Microfluidic Platform for Advanced Materials Manufacturing and Applications于近日發(fā)表于《ADVANCED MATERIALS(先進(jìn)材料)》。
參考來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
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