东南大学赵远锦PNAS：微针阵列助力高效液滴操纵

【引言】

近年来，液滴收集和运输在生物传感、化学、医学、能源和卫生领域得到不断应用，受到越来越多人的关注。一类实现高效的液滴操作的方法是通过外部磁场、电场等引导液滴运动，这些方法大多高度依赖外部能量输入，并且只能处理具有特定大小范围的液滴，应用受限。另一类是将具有梯度润湿性或功能性微结构化的表面应用于液滴操纵，其能量输入低、使用范围相对广泛。但是，大多数现有的润湿性表面只能单向输送液滴，功能单一。此外，它们还依赖于聚结或冷凝引发的液滴生长，以提供液滴驱动力。另外，由于清洁度决定了它们在微滴处理中的性能，因此这些表面几乎不可回收。因此，具有多种液滴操纵能力的液滴操纵装置仍在探索之中。

【成果简介】

近日，东南大学赵远锦教授（通讯作者）结合自下而上的胶体自组装，自上而下的光刻技术和微结构化模具复制，制备了多仿生微针阵列超顺滑表面，并将其用于液滴定向输送、收集、多液滴混合等。该表面由中空水凝胶微针阵列组成，并以浸有润滑剂的反蛋白石薄膜作为基底。亲水凸起和疏水膜模拟了纳米布沙漠甲虫外壳的不均匀结构；而浸润的润滑剂则使基底具有猪笼草的捕食管内壁一样的结构；同时，与水生植物相似，空心的亲水性微针可以依靠毛细管驱动力迅速吸引和捕获各个方向的水滴，高度光滑的基材进一步提高了这一过程的效率。值得注意的是，液滴驱动力仅来源于毛细驱动，而不是外部能量输入。这一多仿生微针阵列超顺滑表面还显示出良好的的通用性和可回收性。相关研究成果以“Multibioinspired slippery surfaces with wettable bump arrays for droplets pumping  ”为题发表在PNAS上。

【图文导读】

图一、受多生物启发的微针阵列超顺滑表面

（A）纳米布沙漠甲虫的集水能力，主要取决于背部的亲水性凸起和疏水性基底；

（B）基于SLIP结构的猪笼草的液滴无损运输能力；

（C）毛细管力驱动实现的挺水植物的种子采集；

（D）多仿生微针阵列超顺滑表面结构的示意图；

（E）水输送和收集的循环示意图。

图二、受多生物启发的微针阵列超顺滑表面的制备与表征

（A）制作过程的示意图；

（B）PU反蛋白石薄膜的光学图像；

（C）微针阴模，PU膜和光掩模板堆叠放置的光学图像；

（D）PU膜-中空微针突起；

（E）注入润滑油的超顺滑表面。

图三、受多生物启发的微针阵列超顺滑表面对单液滴的输运

（A）以PEGDA为微针材料，硅油作为润滑剂；

（B）以ETPTA为微针材料，硅油为润滑剂；

（C）以PEGDA为微针材料，全氟化油为润滑剂。

图四、受多生物启发的微针阵列超顺滑表面的液滴收集

（A–D）从不同方向运输和收集液滴；

（E）操纵并收集大量喷雾微滴。

图五、受多生物启发的微针阵列超顺滑表面的集水性能

（A）基于受多生物启发的微针阵列超顺滑表面的集水装置的示意图；

（B–D）集水效率与通道直径（B），相邻微针间距（C）和微针高度（D）的函数关系。

【小结】

总而言之，受生物启发，本文通过自下而上的胶体自组装、自上而下的光刻技术和微结构化的模具复制的方法，制造了多仿生微针阵列超顺滑表面，用于定向液滴输运和收集。通过模仿纳米布沙漠甲虫的背面结构，猪笼草的捕食管内壁结构以及挺水植物的毛细管驱动力，这些表面被证明可以实现连续的多方向的液滴运输。同时，被吸引的液滴聚集在空心微针阵列周围，向下渗透，由于毛细作用最终被储集层收集。受益于这些独特的特征，这一表面是有望为液滴运输、收集提供新的途径。

文献链接：“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编译供稿。

通讯作者/团队简介

赵远锦，教授，博导，国家“万人计划”科技领军人才，国家优青，江苏省杰青，RSC Fellow。于2006年获得东南大学医学学士学位； 2009年到2010年到哈佛大学David A. Weitz 教授（美国三院院士）团队联合培养；2011年毕业于东南大学，获工学博士学位，并留校工作。2013年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”、江苏省“六大人才高峰”资助计划；2014年获“江苏省杰出青年基金”；2015年获“国家优秀青年基金”、“中国化学会青年化学奖”；2016年入选“江苏省333高层次人才培养工程”；2017年入选“中国新锐科技人物”；2018年入选英国皇家化学会(RSC)的Fellow、科技部中青年科技领军人才；2019年入选中组部“万人计划”科技领军人才。

现在的主要研究方向有仿生材料与组织工程、微流控与器官芯片等。