近日，西工大物理学院李晓光团队在液体操控领域取得重要进展，相关论文以“A simple route for open fluidic devices with particle walls”为题发表在《Advanced Materials》上。博士研究生刘恒为论文第一作者，李晓光教授、劳伦兹伯克利国家实验室的Thomas Russell教授为通讯作者。
开放式流体器件的构建和应用是液体操控领域的崭新问题。与固体器壁构成的封闭式器件不同，开放式流体器件中的液体能够与外界物质进行交换和相互作用，这为液体操控带来了巨大便利。利用颗粒物质包裹液体是获得开放式液体系统的重要途径，但现有方法在复杂形态器件的构建、颗粒选择的多样性、器件的实用价值等方面还有很大的局限性。
鉴于此，李晓光团队提出了一种将基底图案化、颗粒包裹与液体橡皮泥技术相结合的方法，有效解决了上述问题。利用该方法可以实现各种成分和尺寸疏水颗粒器壁以及高复杂形态器件的构建，还能实现器件形态及内部流场的重构以及三维器件的形成。在实用价值方面，以碳纳米管制备的流体器件为例进行了应用探索。利用碳纳米管的光热转化能力、器件的开放性以及器件的复杂管道结构在肿瘤治疗研究中取得了重要发现：升高温度可以大幅提升化疗疗效，提升机制在于促进了肿瘤细胞对化疗药物的吞噬。
首先利用激光刻蚀和溶胶-凝胶镀膜技术制备具有不同浸润性区域的图案化基底，再将表面半覆盖疏水颗粒的液滴逐个转移至亲水图案区，使其浸润基底并相互融合，由此便得到了底部为固-液界面，侧面和顶部为固-气-液复合界面的开放式流体器件。
图1. 以颗粒为器壁的开放式流体器件制备示意图及实物图
视频1. 利用石松粉颗粒制备哑铃型流体器件
在流动过程中，有颗粒覆盖的器件相比无颗粒覆盖的器件形态稳定性大大提高，而微米颗粒器件相比纳米颗粒器件更加稳定，这主要是因为微米颗粒器壁的弯曲模量更大。仿真模拟表明，含颗粒器件进出口压差变化远快于无颗粒器件；含颗粒器件中涡流存在于进出口区域而无颗粒器件中涡流只存在于进口处。在器件形状更为复杂以及流速更高的情况下，颗粒器壁对器件的稳定作用也更为突出。
图2. 含颗粒和无颗粒器件的形态稳定性研究
平台表面的超疏水薄膜具有特殊力学特性，其最外层SiO2纳米颗粒能够在与水接触时转移到水的表面，利用这一特点可以在平台上原位制得具有管道结构并且不粘附基底的“液体橡皮泥”。利用毛细力可将液体橡皮泥与原始器件融为一体，再推动液体橡皮泥以改变其位置即可实现器件重构和流场调控。
图3. 器件的可重构性演示及其在开关式化学反应系统中的应用
视频2. 利用液体橡皮泥实现器件重构和流场调控
以往方法制备的开放式流体器件通常为一维或二维结构，本工作利用液体橡皮泥技术可实现三维器件的构建。首先构建三个交叉排列且互不联通的器件，然后利用微米级粉末颗粒制备液体橡皮泥，将其叠放在一个器件上，再利用毛细力将其与另外两个器件连通，即可得到上下通道互不干扰的三维器件。
图4 三维器件的制备原理及实物图
视频3. 三维器件中的染料流动
为探索本工作提出的器件方法在生物医学中的应用潜力，利用单层SiO2纳米颗粒制备了高透明性蛇形管道阵列器件，开展了抗癌药物的浓度筛选研究。所制器件不仅能像常规固体微流控器件一样实现药物浓度调控，还展现出很多独特优势。首先，器件具有开放性，使得管道中的细胞培养液能够直接摄取空气中的O2和CO2等细胞培养不可或缺的气体物质。其次，颗粒管道具有可切割性和可融合性，使得细胞培养和药物治疗能够根据需要随时开关。
图5 利用SiO2纳米颗粒器件进行药物浓度筛选
在药物筛选研究基础上，设计了同样具有蛇形管道阵列但表面覆盖碳纳米管颗粒的器件。利用碳纳米管的光热转化能力实现了培养液温度的可控提升，为研究温度对化疗的影响奠定了基础。发现从37℃这一常规化疗温度上升至40℃时可以大幅提升癌细胞的死亡率，并利用管道阵列开展了丰富的对比实验，由此确定了化疗疗效的提升机制在于温升促进了癌细胞对化疗药物的吞噬。这一机制通过药物浓度检测的独立实验被再次确认。该现象和机制的发现超越了概念性实验的范畴，有望促进肿瘤生物学和肿瘤医学的发展。
图6. 利用碳纳米管器件研究温度对化疗的影响
文章链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202413862
李晓光，西北工业大学物理科学与技术学院教授、博导，国际先进材料协会会士，陕西省液体物理中心研究方向学术带头人。长期从事液体操控研究，围绕“液体塑形”问题取得了原创性成果并开展了一系列相关工作，提出了“液体橡皮泥”的概念。在PNAS、Nat. Commun.、Adv. Mater.等主流学术期刊发表论文五十余篇。招收凝聚态物理学、材料物理与化学、材料工程专业的硕士生和博士生，以及物理、生物、力学、材料、医学等学科背景的博士后。
