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Small:压电微流控制备可编程纺锤结结构微纤维

生物医学    2021-11-29 09:14

 

 

微流控学是一种能够在微尺度通道中精确和系统地处理单个流体的技术。广泛用于连续纺具有直、螺旋、Janus 和多隔室几何形状的微纤维。特别是,通过结合片上乳化过程,微纤维可以被赋予独特的纺锤结结构,其异质形状有助于水收集和液滴操作的功能。然而,由于流体动力学缺乏可编程性,微流控纺丝纤维的形状仅受横截面通道几何形状的限制并且缺乏多样性。

鉴于此,东南大学赵远锦教授团队提出了一种压电微流控平台,用于连续旋转具有可编程纺锤结的功能性微纤维。在这个平台上,在通道中流动的预凝胶溶液射流可以受到可编程压电信号的影响并同步振动。随着波浪形射流的快速聚合,可以产生具有相应形态的微纤维,包括均匀的、梯度的和对称的结。这种独特的结结构有助于集水机制。因此,观察到具有程序结的微纤维能够实现更灵活的液滴处理和主动水传输。此外,通过构建高阶结纤维网络,还可以展示实际应用,包括喷雾反应、芯片实验室蒸汽检测等。相信该平台为纤维纺纱开辟了一条新途径,可编程微纤维将高度适用于化学、生物医学和环境领域。相关研究成果以“Programmable Knot Microfibers from Piezoelectric Microfluidics”发表在期刊《Small》上。      

 

 

图 1. 可编程结微纤维的产生和应用示意图。a)压电微流控旋转平台的示意图。压电致动器应用于内部流体,将时变振荡信号传输到射流。射流协同振动,然后在紫外线 (UV) 照射下固化,从而形成结纤维。插图显示了响应不同压电信号的各种可编程结纤维;b)具有交叉几何形状的梯度微纤维网络上的水会聚传输和喷雾反应示意图;c) EtOH 蒸气检测芯片的示意图,其中可编程梯度纤维用作流体入口。可以捕获乙醇雾,并且可以将液滴诱导到芯片上并通过变色读数启动反应。

 

 

图 2. 结纤维的射流模板和特征。a) 显微图像显示在一个压电振荡周期 (T) 期间波浪形射流的稳定射流和延时过程;b) 脱水前 (i) 和脱水后 (ii) 结微纤维的显微图像;c) 大量收集的微纤维的数码照片;d) 结微纤维的荧光图像,插入的图像是指结组件的均匀性;e) 脱水纤维的 SEM 图像和 (i) 纺锤结、(ii) 过渡区域和 (iii) 接头的放大图像。

 

 

图 3. 射流模板上的微流控和压电参数。射流在不同 a) 内流速和外流速比、b) 压电驱动频率和 c) 压电驱动振幅下的动态行为的实时高速图像;d) 射流平均直径 (d) 作为微流体参数 (Qi/Qo) 的函数图;e) 射流波长 (λ) 和压电频率 (f) 之间的关系图;f) 波高 (h) 和压电振幅 (U) 之间的关系图。

 

 

图 4. 可变间距和高度的可编程结微纤维。a) 具有可编辑周期的编程信号的轮廓和纤维的相应 SEM 图像;b) 测量在 (a) 所示条件下产生的纤维的间距;c) 具有可编辑幅度的编程信号的轮廓和纤维的相应 SEM 图像;d)在所示条件下生成的纤维结高度的统计记录(c)。

 

 

图 5. 可编程梯度结纤维上的长距离定向水传输。a)水滴从关节到结,从小结到大结的传输机制示意图。b,c)从侧视图捕获的(b)梯度和(c)对称结纤维上液滴运输的延时图像。

 

 

图 6. 用于灵活液滴处理和实际应用的可编程梯度纤维网络。a)具有对称结的微纤维相交网络中会聚液滴传输过程的示意图和实时图像;b)基于微纤维的喷雾反应过程的示意图和实时图像:在两侧的液滴运输到交叉点后立即发生反应;c) 基于微纤维的芯片实验室蒸汽检测过程的示意图和实时图像:乙醇雾被捕获在纤维上并冷凝形成液滴,然后将液滴输送到芯片,以及高锰酸钾 指示剂被乙醇还原后逐渐变成绿色。

 

 

结论:研究者提出了一种压电微流控平台,用于连续旋转可编程结微纤维。纤维上的结是通过单次射流的脉动形成的,不需要涂覆或封装另一个流体相。此外,通过调整微流控和压电参数来同步控制结的直径、结间距和高度。这种独特的纤维结结构使自发的水捕获成为可能。在此基础上,通过对压电信号进行编程,实现了具有均匀、梯度和对称几何形状的各种任意结纤维,然后展示了灵活的液滴操作,包括单向/双向和长距离传输。基于这种有趣的水滴捕获和传输能力,提出了一系列包含组装纤维网络的设备,用于实际应用,包括会聚水滴收集、喷雾反应和蒸汽检测。本研究的一些局限性是波射流的形成取决于水-水流体系统,未来可以努力开发具有低界面张力的新液-液系统,通过这些系统可以衍生出多种功能材料。

 

此外,可以开发具有集成通道(例如并行旋转器)的微流体平台,以实现更高吞吐量的可编程纤维的可扩展制备。此外,通过与 3D 打印技术相结合,可以预期具有复杂结构和应用的宏观缠结纤维网络。为了进一步扩展这项技术的潜在应用,可能会在水凝胶纤维中集成其他成分,例如磁性纳米粒子、量子点、刺激响应聚合物等。这些成分可以赋予纤维额外的功能,如可控运动、传感、条形码等,这将吸引传感器和执行器、药物输送和生物测定等应用。这些结果表明压电微流控旋转平台提供了一种生成可编程结微纤维的方法,该方法将在不同领域得到广泛的应用。

 

论文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202104309