東南大學趙遠錦PNAS：微針陣列助力高效液滴操縱

【引言】

近年來，液滴收集和運輸在生物傳感、化學、醫學、能源和衛生領域得到不斷應用，受到越來越多人的關注。一類實現高效的液滴操作的方法是通過外部磁場、電場等引導液滴運動，這些方法大多高度依賴外部能量輸入，并且只能處理具有特定大小范圍的液滴，應用受限。另一類是將具有梯度潤濕性或功能性微結構化的表面應用于液滴操縱，其能量輸入低、使用范圍相對廣泛。但是，大多數現有的潤濕性表面只能單向輸送液滴，功能單一。此外，它們還依賴于聚結或冷凝引發的液滴生長，以提供液滴驅動力。另外，由于清潔度決定了它們在微滴處理中的性能，因此這些表面幾乎不可回收。因此，具有多種液滴操縱能力的液滴操縱裝置仍在探索之中。

【成果簡介】

近日，東南大學趙遠錦教授（通訊作者）結合自下而上的膠體自組裝，自上而下的光刻技術和微結構化模具復制，制備了多仿生微針陣列超順滑表面，并將其用于液滴定向輸送、收集、多液滴混合等。該表面由中空水凝膠微針陣列組成，并以浸有潤滑劑的反蛋白石薄膜作為基底。親水凸起和疏水膜模擬了納米布沙漠甲蟲外殼的不均勻結構；而浸潤的潤滑劑則使基底具有豬籠草的捕食管內壁一樣的結構；同時，與水生植物相似，空心的親水性微針可以依靠毛細管驅動力迅速吸引和捕獲各個方向的水滴，高度光滑的基材進一步提高了這一過程的效率。值得注意的是，液滴驅動力僅來源于毛細驅動，而不是外部能量輸入。這一多仿生微針陣列超順滑表面還顯示出良好的的通用性和可回收性。相關研究成果以“Multibioinspired slippery surfaces with wettable bump arrays for droplets pumping? ”為題發表在PNAS上。

【圖文導讀】

圖一、受多生物啟發的微針陣列超順滑表面

（A）納米布沙漠甲蟲的集水能力，主要取決于背部的親水性凸起和疏水性基底；

（B）基于SLIP結構的豬籠草的液滴無損運輸能力；

（C）毛細管力驅動實現的挺水植物的種子采集；

（D）多仿生微針陣列超順滑表面結構的示意圖；

（E）水輸送和收集的循環示意圖。

圖二、受多生物啟發的微針陣列超順滑表面的制備與表征

（A）制作過程的示意圖；

（B）PU反蛋白石薄膜的光學圖像；

（C）微針陰模，PU膜和光掩模板堆疊放置的光學圖像；

（D）PU膜-中空微針突起；

（E）注入潤滑油的超順滑表面。

圖三、受多生物啟發的微針陣列超順滑表面對單液滴的輸運

（A）以PEGDA為微針材料，硅油作為潤滑劑；

（B）以ETPTA為微針材料，硅油為潤滑劑；

（C）以PEGDA為微針材料，全氟化油為潤滑劑。

圖四、受多生物啟發的微針陣列超順滑表面的液滴收集

（A–D）從不同方向運輸和收集液滴；

（E）操縱并收集大量噴霧微滴。

圖五、受多生物啟發的微針陣列超順滑表面的集水性能

（A）基于受多生物啟發的微針陣列超順滑表面的集水裝置的示意圖；

（B–D）集水效率與通道直徑（B），相鄰微針間距（C）和微針高度（D）的函數關系。

【小結】

總而言之，受生物啟發，本文通過自下而上的膠體自組裝、自上而下的光刻技術和微結構化的模具復制的方法，制造了多仿生微針陣列超順滑表面，用于定向液滴輸運和收集。通過模仿納米布沙漠甲蟲的背面結構，豬籠草的捕食管內壁結構以及挺水植物的毛細管驅動力，這些表面被證明可以實現連續的多方向的液滴運輸。同時，被吸引的液滴聚集在空心微針陣列周圍，向下滲透，由于毛細作用最終被儲集層收集。受益于這些獨特的特征，這一表面是有望為液滴運輸、收集提供新的途徑。

文獻鏈接：“Multibioinspired slippery surfaces with wettable bump

arrays for droplets pumping”(PNAS，2019， DOI: doi.org/10.1073/pnas.1912467116 )

本文由材料人CYM編譯供稿。

通訊作者/團隊簡介

趙遠錦，教授，博導，國家“萬人計劃”科技領軍人才，國家優青，江蘇省杰青，RSC Fellow。于2006年獲得東南大學醫學學士學位； 2009年到2010年到哈佛大學David A. Weitz 教授（美國三院院士）團隊聯合培養；2011年畢業于東南大學，獲工學博士學位，并留校工作。2013年入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”、江蘇省“六大人才高峰”資助計劃；2014年獲“江蘇省杰出青年基金”；2015年獲“國家優秀青年基金”、“中國化學會青年化學獎”；2016年入選“江蘇省333高層次人才培養工程”；2017年入選“中國新銳科技人物”；2018年入選英國皇家化學會(RSC)的Fellow、科技部中青年科技領軍人才；2019年入選中組部“萬人計劃”科技領軍人才。

現在的主要研究方向有仿生材料與組織工程、微流控與器官芯片等。