京都大學Sivaniah研究組通過在高分子薄膜中構建尺寸規則的多層微纖維和微孔，在2019年研發出一種新型的結構色彩打印方法，并命名為Organized Microfibrillation（OM，規整微纖維）。OM可以在比芝麻還小的尺寸上打印出“蒙拉麗莎”等精美圖案（圖1），分辨率可達14000 dpi，是普通打印機的10倍以上。該研究的相關成果發表在2019年6月的Nature正刊上，受到科研工業界的廣泛關注。

據麥姆斯咨詢報道，三年之后，該團隊秦德韜博士在OM方法基礎上進一步研發出微流控制備技術，可在厚度僅為1微米的高分子薄膜中制備出帶有結構色彩的微流控通道，論文于2022年5月19日以“Structural colour enhanced microfluidics”為題發表于Nature Communications上。

圖1 結構色彩打印邁向微流控制備

OM技術的研發初衷是利用高分子材料構建周期性多層結構，以反射特定波長光線，形成相長干涉和結構色彩。微觀下對OM結構的研究發現，隨著實驗參數的調節，微纖維之間存在尺寸為幾十至幾百納米的孔隙，OM微流控技術就是利用這些微孔對流體進行精確操控，如圖2a。

微流控是在微觀尺度對流體進行精確操控的技術，可以在芯片尺寸下通過對微小管路的高度集成完成分離、純化、檢測、反應等操作，又稱為芯片實驗室。利用OM技術研發微流控，需要解決3個核心問題：（1）如何獲得可用的OM微流控？（2）OM微流控通道有什么特別之處？（3）OM微流控有哪些應用價值？

首先為實現OM微流控技術，需要驗證液體能否進入微孔，以及材料內部流動是否暢通。液體進入微孔的能力主要受液體對材料潤濕性的影響，通常潤濕性越強的液體越容易進入微孔。潤濕性由液體與材料的接觸角表征，接觸角越小，潤濕性越強。制備OM微流控通道的是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯一類的普通高分子材料，像乙醇和正十六烷一類的普通醇類或油類液體對其接觸角低于30°（圖2b），潤濕性很強；而純水的接觸角則大于90°（圖2c），潤濕性弱；如果向水中加入輔助潤濕的添加劑，則接觸角可降低至40°（圖2d），可以極大地拓寬液體的選用范圍。

圖2 規整微纖維技術（OM）打印的微流控

a）OM微流控的概念示意圖；b-d）正十六烷（b）、純水（c）、添加輔助潤濕劑的水溶液（d）對聚苯乙烯OM薄膜的接觸角；e）OM微通道的掃描電鏡觀察圖；f）共聚焦顯微鏡觀測液體在OM通道中的流動

制備OM微流控包括鑄膜、光刻和顯影三個步驟，其中光刻步驟采用microLED光刻設備，可以高精度打印微流控通道，精度可達5微米（圖2e）。選用對OM薄膜潤濕性強的液體加入熒光分子，在共聚焦顯微鏡可觀察到液體在毛細作用下進入OM通道，并按設定圖案流動（圖2f）。這表明微孔在薄膜平面內是連通的，說明OM微流控的技術可行。

在決定微流控流體動力學性能的結構參數中，孔徑是最關鍵的因素之一，然而肉眼很難對微米至納米級別的尺寸進行辨別。OM微流控則另辟蹊徑，其突出特性就是多層堆疊微孔通道，在薄膜平面外的方向產生肉眼可見的結構色彩。

由于多層結構的層間距受無孔致密層厚度和微孔層厚度兩部分影響，而致密層厚度基本不變，所以層間距與微孔層厚度成正比，也就是與微孔孔徑正相關。孔徑最終決定色彩光譜值，這樣通過顏色就可以辨別孔徑的大小，并進一步評估由孔徑決定的流體性能特征。

同時，亞微米級的微孔孔徑小于微米級的通道打印寬度，因而流體性能不受打印寬度影響，僅由微孔孔徑決定，圖3b中可以看到，相同結構色下的流體擴散速率一致。

圖3 OM微流控的結構色彩特性

a）毛細流在OM通道擴散參數（dL2/dt）與結構色彩的布拉格反射峰的峰位正相關；b，c）相同結構色彩下改變通道打印寬度并不影響流體擴散速率（dL2/dt）

簡要來說，OM微流控中，流體性能與結構色彩緊密相關，而與通道打印的表觀尺寸無關。這樣一來，流體的性能就被直觀地反映在了結構色上，顏色越紅的OM通道內部結構的層間距越大，相應的微孔孔徑越大，那么通道中的流體阻力越小，流體擴散速率則越快。

該特性可以直接用于檢測流體的很多性質，如通過分析液體在OM微通道的擴散速率以檢測液體的粘度。此外，微孔中不同介質會改變OM結構的折射系數，利用OM微流控的結構色彩也可檢測不同液體的折射系數。

圖4 OM微流控的檢測性能

a）實驗觀察到液體在OM通道中擴散參數與液體的粘度呈反比（橫坐標是粘度μ的倒數）；b）OM通道結構色的布拉格反射峰響應流體的折射系數

OM微流控的核心優勢就是可以根據不同目的對微孔尺寸進行精確調控，將大小不同的微孔組合在一起。結構色可以直觀反映組合結果，下圖中，中心主通道比側通道更紅，說明主通道的微孔孔徑更大。在生物醫藥這一重要發展領域，OM微流控的該特性可發展出一系列相關應用，如對生物分子按分子量篩分。

圖5 OM調控微孔尺寸制備的分離通道

通道結構色彩（a，b）與掃描電子顯微鏡對橫截面的孔徑觀察結果（c-e）相一致

不同孔徑大小的OM微流控組合通道，可將混合溶液中的多糖、蛋白質等生物分子分離開。近期有眾多研究揭示了新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）和糖尿病人病情加重存在病理學關聯，其中胰島素與糖尿病相關，而新冠病毒核衣殼蛋白（Nucleocapsid protein）與抗原檢測有關聯，因而本實驗的第一步就是實現這兩個蛋白的分離。

圖6展示了蛋白質分離結果，分子量小的胰島素蛋白（紅色熒光）在OM通道中的擴散速率快于分子量大的新冠病毒的核衣殼蛋白（綠色熒光），而新冠病毒核衣殼蛋白在微孔較大的主通道擴散速率又明顯快于側通道。如圖，側通道中僅有紅色熒光，說明蛋白可以在側通道中實現分離。

圖6 OM微流控篩分功能

a）混合液從側面進入OM通道，紅色為孔徑較大的主通道，黃色為孔徑較小的側通道；b）胰島素（5.8kDa，紅色熒光），SARS-CoV-2核衣殼蛋白（55kDa，綠色熒光）

微流控可以實現分析設備的微型化，具有靈敏度高、能耗低、試劑需求少、便攜等優勢，受到多個領域的關注。然而高精度制備的工藝流程復雜，需要特定材料或設備，又限制了其大規模發展。

OM微流控的優勢在于工藝流程簡單，使用普通工程高分子材料，可制備柔性、透明等多種樣式。論文的第一作者秦德韜認為，規整微纖維方法為微流控制備提供了新的技術和思路，OM微流控在篩分生物分子的工作中邁出了重要的第一步，未來這項技術有望為更多生物工程領域的研究及藥物測試研發提供更為便捷的微流控測試平臺。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29956-4

審核編輯 ：李倩