新方法让构建液体器件像搭积木

本文转自：科技日报

◎本报记者 金 凤

流动的液体，也能像搭乐高积木一样一块一块地垒起来？

近日，记者从东南大学获悉，该校生物科学与医学工程学院教授顾忠泽、副研究员杜鑫团队提出一种液体积木理论，构建了一种可以编辑液体器件内部结构的方法。该方法通过液滴与液滴之间的排列组合，可快速组装出不同构型的液体结构。相关成果近日发表于国际学术期刊《自然·化学工程学》。

液体流动无形。基于液体构建的功能性器件，已经渗入人类的生产生活、科学研究如新能源、医学诊断、生物培养等各个方面。

“液体器件构建的常规方法，是采用固体容器将流动的液体限定在特定位置。”在杜鑫看来，传统构建方法需要提前设计、制备好所需的固体容器，耗时长且成本高。在液体器件的实际使用过程中，经常会遇到使用效果不佳、需要重新设计器件结构的问题，或者在实验过程中，临时期望改变液体结构，引入更多参数和功能到器件中的情况。常规的基于固体壁的液体容器，结构不可更改，需要不断再设计、再制备，反复迭代才能满足上述需求。

杜鑫以微流体芯片举例说：“微流体芯片可以模拟人体血液、细胞、组织等生理环境，对药物的吸收、代谢和毒性进行研究。在生物制药领域，微流体芯片的应用主要集中在新药研发和药物筛选。一款微流体芯片的制作包括流道设计、模板制备、模块贴合封装等步骤。单个微流体芯片的开模加上制备，常常耗资上千元、耗时数天。如果芯片制作完成后再更改芯片内部结构，为时已晚。”

那么，能否发明出一种液体器件，既可以变身为各种不同模样的液体器件，满足不同的使用场景，又可以在使用过程中根据使用者的需求，实时改变器件结构？

受乐高积木玩具启发，顾忠泽研究团队提出了液体积木理念。

“为了能将液体积木化，我们设计出均一化的、3D打印的柱状阵列。向柱状阵列中特定位置连续滴加液滴，就可以快速形成不同构型的液体结构。同时，通过对柱状阵列中的液滴进行截断、移除、再添加，又可以实时、快速地改变液体结构。”顾忠泽介绍，这种液体器件的快速制备与实时重构方法，可大幅度提升液体器件相关领域的生产、研究效率。而且，根据液体积木理念制备出的液体器件，是一个全开放式的结构。采用一片疏水纸，即可将之前的液体流道截断，还可以通过移液枪移除不需要的液体单元，添加新的液体单元，完成流道重构。

杜鑫介绍，运用液体积木理念，对于简单的液体结构，科研人员可采用移液枪加液的方式灵活制备。而应对复杂的结构，他们还开发出了自动化装置，可在数分钟内完成复杂流道的快速制备。

“该技术不仅可用于制备连续相的流体结构，还可用于构建离散相的多相液体结构，并精准控制液—液界面。液体器件制备过程仅需数分钟，花销很低。”杜鑫说，无论是二维还是三维液体结构，工作人员都可通过该技术进行快速制备。所适用的液体包括水溶液、离子液体、液态金属等多种液体。

顾忠泽团队目前正在从事器官芯片的研发。器官芯片是将人源细胞或干细胞注入薄薄的高分子基底材料，通过给基底材料输送氧气、培养液，让细胞在材料中呼吸、生长，最终长成类似的人类器官组织。

在研究团队看来，液体积木所展现的可重构理念，弥补了目前器官芯片结构固定、无法根据微器官生长过程来协同改变自身结构的局限。

“目前，团队正尝试利用液体积木理论创建动态器官芯片，再现生命体生长、发育过程中的动态过程，构建出新一代高仿生、自适应器官芯片。”顾忠泽说。