可编程磁性仿生纤毛，变革微流控流体控制
2025-04-15 13:12:01 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
通过将大自然的精妙进化转化为工程现实，这项研究为微流控技术中的流体控制创建了新范例。这种可编程磁性人工纤毛为传统流体处理元件提供了一种灵活、可扩展且高效的替代方案。
微流控是一种多功能微流体操控技术，能够支持从医学诊断、高通量筛选到生物及生化研究等广泛应用。它是实现芯片实验室（LOC）和器官芯片（OOC）系统的重要平台。利用微流控技术能够进行复杂的生物化学或单细胞分析，并复制人体器官的行为。为了在微尺度上控制流体，这些微流控器件通常包含多种组件，例如微泵、微阀和微混合器等。纤毛是生物体中发现的微观鞭毛状结构，为流体操控提供了一种精妙的生物模板。这些数十微米长的附属物能够有效地泵送、混合、输送微粒/流体，甚至感知它们的环境。
生物技术领域的下一个重大突破可能不是来自宏观机械，而是来自微观纤毛。在微流控技术的复杂世界里，需要极其精确地操纵微量体积的流体，在这个微观领域的深处，一个崭新的角色正在崛起：可编程磁性人工仿生纤毛。这些灵感源于自然界流体运动控制的纤毛状结构，有望彻底变革我们在微流控芯片上泵送、混合及输送流体的方式。
据麦姆斯咨询介绍，荷兰埃因霍温理工大学（Eindhoven University of Technology, TU/e）Tongsheng Wang博士的这项研究介绍了一种新的制造方法，它能为仿生纤毛带来复杂、逼真的运动，告别传统尺寸较大的管道和微泵，解锁更快、更智能、更高效的芯片实验室和器官芯片系统。
在生物体内，纤毛是一种微小的鞭状结构，它们有节奏地跳动以移动液体，例如清除肺部粘液，以及引导胚胎发育等。这些精妙高效的纤毛激发了研究人员的灵感，在微流控环境中复制纤毛的运动来控制流体。与依赖外部泵的传统微流控系统不同，人工纤毛提供了一种精简、独立的替代方案。利用磁场驱动这些人工纤毛时，无需任何布线或管道，它们就能按程序执行受控的协调运动，为紧凑型、低功耗微流控器件开辟了新的可能性。
打破制造壁垒
在开发这种人工纤毛的过程中，最重大的挑战之一就是难以制造出能够进行复杂、逼真运动的三维结构。传统的光刻技术无法制造能够复制生物纤毛动态行为的多自由度纤毛。
磁性人工纤毛及其制造工艺
Wang博士的这项研究通过将飞秒激光辅助蚀刻（FLAE）与传递模型相结合实现了新突破。这种先进的制造技术可以精确地制造出具有磁响应且结构可调的三维纤毛结构。由此产生的新型人造纤毛不仅在形状上与生物纤毛相似，而且在功能上也接近生物纤毛，可以按照编程模式跳动、弯曲和摆动。
交替节律运动的力量
这项研究最引人注目的发现之一，是在人工纤毛中展示了交替节律运动波，展示了与自然系统中纤毛波类似的协调、相位偏移运动。这项研究首次提供了直接的实验证据，证明仅这种波就能在没有外部不对称或机械辅助的情况下产生净流体流动。这一发现标志着微流控设计领域的一个转折点，证明受生物启发的运动能够以简单、精妙且高度可控的方式驱动流体输送。
人工纤毛对顺时针旋转均匀磁场的响应
加速流体混合和输送
长期以来，高效的流体混合一直是微流控技术领域的一项挑战，因为微流控技术中的微观尺度限制了湍流，混合速度通常很慢。通过利用人工纤毛的交替节律运动，这项研究实现了短至25秒的混合时间，这是相对传统系统的巨大改进。这种快速混合对于在芯片实验室器件上进行的化学反应、医疗诊断和生物检测具有立竿见影的有益效果。
交替节律运动的高速成像，以及由此产生的显示“行进涡旋”的速度场
这种方法的多功能性可以扩展到复杂的实际流体中。许多生物医学相关物质，例如血液和粘液，都表现出剪切稀化行为，即流体粘度随着剪切速率或剪切应力的增大而减少。人工纤毛通过协调跳动产生局部剪切应力以降低粘度，增强这些流体的输送能力。这为改进诊断工具、药物输送系统和组织工程模型打开了大门，而所有这些都依赖于精确高效的微流体处理。
人工纤毛阵列及实验芯片的制作
微流控设计掀开新篇章
在这项研究中，先进的激光制造技术与可编程磁性驱动技术的融合，代表着精密微工程领域的一次重大飞跃。通过摒弃传统的硬件密集型设计，这种方法采用了一种软性、自适应、受自然启发的流体流动控制策略。它不仅简化了器件结构，而且符合医疗保健和生物技术领域对微型化、高效及用户友好型技术日益增长的需求。
鉴于生物启发机器人、智能材料和微流控技术在科研和工业领域的应用日益受到关注，它们正与当前的技术趋势产生强烈共鸣。该研究成果不仅具有新颖的科学贡献，而且具有产生更广泛社会影响的真正潜力，引发了从工程和生物医学到创新驱动媒介等各学科的兴趣。
结论
通过将大自然的精妙进化转化为工程现实，这项研究为微流控技术中的流体控制创建了新范例。这种可编程磁性人工纤毛为传统流体处理元件提供了一种灵活、可扩展且高效的替代方案。其能够模仿复杂的生物运动，缩短微流体混合时间，甚至在没有外部压力或泵的情况下输送具有挑战性的流体，有助于开发更智能、更具适应性的微流控系统，悄无声息地重塑生物医学研究领域的新格局。
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