从“蒙娜丽莎”迈向微流控：京都大学推进结构色彩打印研究，实现流体性能检测与蛋白分离

京都大学Sivaniah研究组通过在高分子薄膜中构建尺寸规则的多层微纤维和微孔，在2019年研发出一种新型的结构色彩打印方法，并命名为Organized Microfibrillation (OM, 规整微纤维)。OM可以在比芝麻还小的尺寸上打印出“蒙拉丽莎”等精美图案（图1），分辨率可达14000 dpi，是普通打印机的10倍以上。该研究的相关成果发表在2019年6月的Nature正刊上，受到科研工业界的广泛关注，果壳也进行了跟踪报道[1,2]。

图1. 结构色彩打印迈向微流控制备 | 团队供图

三年之后，该团队秦德韬博士在OM方法基础上进一步研发出微流控制备技术，可在厚度仅为1微米的高分子薄膜中制备出带有结构色彩的微流控通道，论文于2022年5月19日发表于《自然·通讯》(Nature Communications)上[3]。

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OM技术的研发初衷是利用高分子材料构建周期性多层结构，以反射特定波长光线，形成相长干涉和结构色彩。微观下对OM结构的研究发现，随着实验参数的调节，微纤维之间存在尺寸为几十至几百纳米的孔隙，OM微流控技术就是利用这些微孔对流体进行精确操控，如图2a。

微流控是在微观尺度对流体进行精确操控的技术，可以在芯片尺寸下通过对微小管路的高度集成完成分离、纯化、检测、反应等操作，又称为芯片实验室。利用OM技术研发微流控，需要解决3个核心问题：（1）如何获得可用的OM微流控？（2）OM微流控通道有什么特别之处？（3）OM微流控有哪些应用价值？

图2. 规整微纤维技术（OM）打印的微流控。a, OM微流控的概念示意图；b-d, 正十六烷(b)、纯水（c）、添加辅助润湿剂的水溶液（d）对聚苯乙烯OM薄膜的接触角；e, OM微通道的扫描电镜观察图；f, 共聚焦显微镜观测液体在OM通道中的流动 | 团队供图

首先为实现OM微流控技术，需要验证液体能否进入微孔，以及材料内部流动是否畅通。液体进入微孔的能力主要受液体对材料润湿性的影响，通常润湿性越强的液体越容易进入微孔。润湿性由液体与材料的接触角表征，接触角越小，润湿性越强。制备OM微流控通道的是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯一类的普通高分子材料，像乙醇和正十六烷一类的普通醇类或油类液体对其接触角低于30°（图2b），润湿性很强；而纯水的接触角则大于90°（图2c），润湿性弱；如果向水中加入辅助润湿的添加剂，则接触角可降低至40°（图2d），可以极大地拓宽液体的选用范围。

制备OM微流控包括铸膜、光刻和显影三个步骤，其中光刻步骤采用microLED光刻设备，可以高精度打印微流控通道，精度可达5微米（图2e）。选用对OM薄膜润湿性强的液体加入荧光分子，在共聚焦显微镜可观察到液体在毛细作用下进入OM通道，并按设定图案流动（图2f）。这表明微孔在薄膜平面内是连通的，说明OM微流控的技术可行。

在决定微流控流体动力学性能的结构参数中，孔径是最关键的因素之一，然而肉眼很难对微米至纳米级别的尺寸进行辨别。OM微流控则另辟蹊径，其突出特性就是多层堆叠微孔通道，在薄膜平面外的方向产生肉眼可见的结构色彩。

由于多层结构的层间距受无孔致密层厚度和微孔层厚度两部分影响，而致密层厚度基本不变，所以层间距与微孔层厚度成正比，也就是与微孔孔径正相关。孔径最终决定色彩光谱值，这样通过颜色就可以辨别孔径的大小，并进一步评估由孔径决定的流体性能特征。

同时，亚微米级的微孔孔径小于微米级的通道打印宽度，因而流体性能不受打印宽度影响，仅由微孔孔径决定，图3.b中可以看到，相同结构色下的流体扩散速率一致。

图3. OM微流控的结构色彩特性。a 毛细流在OM通道扩散参数(dL2/dt)与结构色彩的布拉格反射峰的峰位正相关；b, c 相同结构色彩下改变通道打印宽度并不影响流体扩散速率(dL2/dt) | 团队供图

简要来说，OM微流控中，流体性能与结构色彩紧密相关，而与通道打印的表观尺寸无关。这样一来，流体的性能就被直观地反映在了结构色上，颜色越红的OM通道内部结构的层间距越大，相应的微孔孔径越大，那么通道中的流体阻力越小，流体扩散速率则越快。

该特性可以直接用于检测流体的很多性质，如通过分析液体在OM微通道的扩散速率以检测液体的粘度。此外，微孔中不同介质会改变OM结构的折射系数，利用OM微流控的结构色彩也可检测不同液体的折射系数。

图4. OM微流控的检测性能。a, 实验观察到液体在OM通道中扩散参数与液体的粘度呈反比（横坐标是粘度μ的倒数）；b, OM通道结构色的布拉格反射峰响应流体的折射系数 | 团队供图

OM微流控的核心优势就是可以根据不同目的对微孔尺寸进行精确调控，将大小不同的微孔组合在一起。结构色可以直观反映组合结果，下图中，中心主通道比侧通道更红，说明主通道的微孔孔径更大。在生物医药这一重要发展领域，OM微流控的该特性可发展出一系列相关应用，如对生物分子按分子量筛分。

图5. OM调控微孔尺寸制备的分离通道。通道结构色彩（a,b）与扫描电子显微镜对横截面的孔径观察结果（c-e）相一致 | 团队供图

不同孔径大小的OM微流控组合通道，可将混合溶液中的多糖、蛋白质等生物分子分离开。近期有众多研究揭示了新型冠状病毒（covid-19, SARS-CoV-2）和糖尿病人病情加重存在病理学关联[4]，其中胰岛素与糖尿病相关，而新冠病毒核衣壳蛋白（Nucleocapsid protein）与抗原检测有关联，因而本实验的第一步就是实现这两个蛋白的分离。

图6展示了蛋白质分离结果，分子量小的胰岛素蛋白（红色荧光）在OM通道中的扩散速率快于分子量大的新冠病毒的核衣壳蛋白（绿色荧光），而新冠病毒核衣壳蛋白在微孔较大的主通道扩散速率又明显快于侧通道。如图，侧通道中仅有红色荧光，说明蛋白可以在侧通道中实现分离。

图6. OM微流控筛分功能。a 混合液从侧面进入OM通道，红色为孔径较大的主通道，黄色为孔径较小的侧通道；b胰岛素（5.8 kDa，红色荧光），SARS-CoV-2核衣壳蛋白（55 kDa，绿色荧光） | 团队供图

微流控可以实现分析设备的微型化，具有灵敏度高、能耗低、试剂需求少、便携等优势，受到多个领域的关注。然而高精度制备的工艺流程复杂，需要特定材料或设备，又限制了其大规模发展。

OM微流控的优势在于工艺流程简单，使用普通工程高分子材料，可制备柔性、透明等多种样式。论文的第一作者秦德韬认为，规整微纤维方法为微流控制备提供了新的技术和思路，OM微流控在筛分生物分子的工作中迈出了重要的第一步，未来这项技术有望为更多生物工程领域的研究及药物测试研发提供更为便捷的微流控测试平台。

作者：秦德韬（京都大学特定研究员）

编辑：靳小明

排版：尹宁流

题图：手指上的高分子透明薄膜。采用OM（规整微纤维）技术打印出带有结构色彩的微流控通道，由多层微孔构成，流体顺着空隙流过，荧光探针分子如同进入通道的探测潜水艇在微纤维之间巡游。

题图来源：京都大学细Pureosity团队提供

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