基于结构色彩打印的微流控制备技术

       日本京都大学的研究人员开发了一种被称为有组织的微纤颤 (OM) 的光刻技术，可以在聚合物薄膜内创建复杂的自封闭通道(Nat. Commun., doi: 10.1038/s41467-022-29956-4)。 据该团队称，传统的微流控设备目前被用于DNA测序、即时护理诊断和器官芯片模型等领域，与其制造方法相比，OM 具有许多优势。

       京都大学综合细胞材料科学研究所 (iCeMS) 的研究者 Andrew Gibbons 表示，该技术直接在薄膜中制造多孔结构，因此不需要组装。而且它不需要预先制作蚀刻硅模具，方便根据需要更改设计，可以说是一种制造微流体通道的简单技术。

      图1   一位艺术家对复杂的内部微流体多孔结构的想象，该结构是在京都大学综合细胞材料科学研究所的一个团队设计的过程中，通过感光聚合物和 micro-LED 光的相互作用制成的。

       Gibbons 和他的同事属于 iCeMS 的“Pureosity”团队，该团队的研究重点是碳捕获膜技术。由于光源的灵活性和精确性，因此在寻求生产具有可控孔径的材料的新方法时，他们决定尝试引入光刻法。

       OM在 2019 年首次展示后，研究人员意识到该技术可以作为一种用户友好的高分辨率技术平台来打印微流体。目前已通过一个概念证明的微流控OM装置深入研究了这一应用，该设备可以成功地按大小分离生物分子。

       “微流体是一个充满潜力的令人兴奋的领域，所以我们热衷于推动这个方向的研究” Gibbons说，“我们想到的一个应用是可穿戴传感器，可以将汗水吸入设备并在本地检测特定的生物标志物。”

图2 由 iCeMS 团队的技术设计的周期性结构在被入射光照射时会在通道中产生结构颜色效应——随着通道中流动的开始以及流速的变化，颜色会发生变化。

       在概念验证中，首先用单色光照射反射表面上的光敏聚合物薄膜来制造OM 微流体通道。光反射在聚合物薄膜中产生一个驻波干涉图案，由此决定光交联的区域。阴影掩模用于创建所需的图案。研究人员在论文中指出，他们使用了“微型 LED 照明设备”进行交联，从而能够将照明控制到 1-µm的水平。

       然后，薄膜在弱溶剂中显影，该溶剂会分解聚合物的任何非交联区域。成品包含具有独特内部多孔结构的自封闭通道，由多孔微纤维层隔开的周期性无孔层组成。由于交替的层结构，入射光的布拉格反射会产生结构颜色效应。而且，当团队对该装置进行试验时，他们发现薄膜的颜色与微通道中的孔径和液体流速相关，该特性可用于可视化原型设备的流动特性。

       此外，控制交联能量可以在单个微型设备中产生亚微米尺度的孔隙度变化。作为演示，Gibbons 和他的同事设计了一种微型 OM 装置，可以分离两种不同分子量的蛋白质。

       Gibbons 表示，“团队正在研究如何在薄膜中分离不同的生物分子以达到诊断的目的，使技术更加接近实际应用，我们很高兴看到这个技术下一步将走向何方。”