复旦大学俞燕蕾教授团队：利用光致形变线型液晶高分子实现全光控微流体技术

近日，复旦大学俞燕蕾教授团队的AMR述评文章 “All-Optical Microfluidic Technology Enabled by Photodeformable Linear Liquid Crystal Polymers”在线发表，总结了课题组在光致形变线型液晶高分子新材料和全光控微流体新技术研究中的进展。团队研发的首台(套)全光控蛋白即时检测设备，实现了微量蛋白样本的精准、快速检测，展示出光致形变液晶高分子材料在生物医学中的应用新范式。

关键词：液晶高分子，全光控微流体技术，光致形变，致动器

This Account highlights our efforts toward the new conception of all-optical microfluidic technology enabled by photodeformable linear liquid crystal polymers.

By replacing the conventional chip materials with the photodeformable linear liquid crystal polymers, we construct the all-optical microfluidic chip for the first time, and achieve non-contact, accurate, and efficient manipulation of microfluids using a single light source, which plays an important role in solving the core conundrum of the cumbersome external equipment in the microfluidic chip systems.

1 文章内容简介

图1 基于光致形变线型液晶高分子的全光控微流体技术

微流控技术是一种精确操纵微纳米流体的技术，可以将传统实验室的生化分析单元集中在几平方厘米的芯片上，在临床诊断、药物筛选等生命科学领域具有不可替代的作用。近年来，微流控芯片自身的尺寸不断缩小，然而其外置机械驱动设备却复杂而庞大，制约了其进一步发展。我们致力于开发全光控微流体技术，以非接触式的光场驱动替代外置机械驱动，创新微流体操控机制，实现微流控系统的集成与简化。为此，创制可用于微流体操控的光控致动材料至关重要。光致形变液晶高分子材料能够在光刺激下发生光敏基团的异构化与液晶基元的排列变化，通过协同作用引发从分子到介观、再到宏观的多级结构变化，最终实现大幅度、可逆的形变和机械运动。因此，光致形变液晶高分子是构筑全光控微流体芯片的理想材料，利用其构筑全光控微流体芯片，可以解决现有微流控系统“外置设备累赘”的瓶颈问题。然而，传统的光致形变液晶高分子采用无规共聚制备，难以实现链结构和有序结构精确调控，力学和致动性能弱，无法满足构筑微流控芯片等三维致动器的需求。

本篇述评主要总结了本课题组在光致形变线型液晶高分子新材料和全光控微流体新技术研究中的进展。首先，我们利用烯烃开环复分解可控聚合，开发了全线型聚烯烃类液晶高分子，其数均分子量高达3.6×10⁵ g/mol，从而形成显著的物理链缠结。借助高分子链缠结和近晶相层状有序结构形成独特的双重物理交联网络，光致形变线型液晶高分子表现出优异的形变和力学性能。其输出驱动力足以推动自重10倍的物体做功，模量可达600 MPa，具有与天然蜘蛛丝相媲美的超高韧性，断裂能高达319 ± 41 MJ m^-3，是以往报道体系的100倍。该材料集优异的形变-机械-加工性能于一体，可全方位满足一维到三维微型致动器的应用要求。

我们利用上述新材料率先构筑了光控微管致动器，并通过精确调控光控微管致动器发生不对称形变，建立了光致拉普拉斯压差驱动微流体的新机制，实现了微量液体的全光控快速、长程输运。光控微管致动器兼具流体通道和蠕动泵的双重功能，将微流控的外置机械驱动转变为非接触式光场驱动。通过推动光控微管致动器向全光控微流体芯片的升级迭代，进一步实现了微流体的多模式操控，为微流控系统“瘦身”奠定了基础。在此基础上，利用全光控微流体芯片，我们研发了首台(套)全光控蛋白即时检测设备，实现了微量蛋白样本的精准、快速检测，展示出光致形变液晶高分子材料在生物医学中的应用新范式。

2 AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

超微量液体操控技术能够在微纳尺度（通常为纳升至皮升级）实现液体的生成、传输、混合、反应等操作，具有低损耗、高精度、高通量等优势，在生物医学、材料科学等多个领域展现出广阔的应用前景。全光控微流体技术作为其前沿发展方向，不仅推动微流控系统进一步集成与简化，并且实现了从微升到纳升级液体精准操控的突破。在此基础上研制集优异的形变、力学、加工性能与生物相容性于一体的液晶高分子新体系，并深入探究光致拉普拉斯压差与超微量液体操控之间的内在联系，建立多模式、高通量的超微量液体光控方法，将为研发全光控小型化仪器乃至可穿戴式微流控设备提供理论和技术上的支撑。我们预计，全光控微流体技术将成为集结构可重构性、功能可扩展性、设计灵活性和应用适应性于一体的超微量液体操控与分析工具，促进生物医学、化学合成、环境监测等领域的创新发展。

3 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会？

作者团队：

随着医疗技术进步和公众健康意识提升，体外诊断技术正朝着“早期发现、精准诊断和经济高效”的方向发展。当前诊断技术主要依赖医疗机构专业人员和大型自动化设备对静脉血进行检测，这限制了在大规模人群中的疾病筛查或针对患者的疾病随访和管理。目前，市面上仅有血糖的测量可以在家中轻松完成。尽管基于微流控芯片的体外诊断技术在多指标检测等方面已经取得一些突破性成果，但仍面临着设备集成度低、检测项目少、成本高等问题，无法满足疾病筛查的实际需求。通过建立光场操控超微量液体流动状态转换的机制，全光控微流体技术能够解决超微量体积样本的多模态精准操控难题，为微量样本的多项目检测提供高效的流体控制方案。基于全光控微流体技术，研究不同生物标志物在超微量体积中的检测反应变化规律，并搭建多通道多模式同时独立工作的集成化检测平台，有望建立以人体末梢血为样本的多指标、多方法学联检新方法，显著降低检测成本并提高检测效率，为疾病筛查和家庭自检等应用场景提供变革性技术支撑。

另一方面，光致形变线型液晶高分子具有优异的形变-机械-加工性能和可逆、无热、非接触驱动的优势，在微型机器人、微机电系统等需要精密驱动、对环境扰动敏感的软体机器应用领域展现出巨大的潜力。通过在分子尺度调控材料各组分的物理化学性质，可有效降低转变能垒，从而显著提升材料的光响应性；通过分子结构设计和凝聚态结构调控，可实现弹性模量与应变的协同优化，进一步增强驱动性能。最终，基于该材料构建软体机器，有望为智能人体助力、深海深空探测、疾病医疗等战略领域带来变革性机遇。

4 AMR：请问您有什么科研心得想分享给读者们？

俞燕蕾教授：

科研工作既要追求学术创新，更要注重实际应用，研究成果的价值在于能否转化为惠及大众的产品。做科研不能局限于自己的领域，我们要多关注其他学科的发展，从交叉领域寻找新思路。对于研究节奏，我主张“抓紧时间慢慢做”——既要有紧迫感，又要沉下心来精雕细琢。希望青年学者们能保持开放的心态，在严谨求实的基础上，推动科研成果走向实际应用。

作者团队简介

俞燕蕾，复旦大学特聘教授、材料科学系主任、中国化学会会士。兼任中国化学会科普工作委员会委员、上海市科学技术普及志愿者协会科普专家。先后获得国家杰出青年科学基金（2012年）、教育部长江学者特聘教授（2016年）。主要致力于智能高分子材料研究，聚焦光响应液晶高分子及其柔性器件的发展，建立了智能光控微流体新技术，并且在软体机器人、微光机系统等领域取得一系列创新性成果。在Nature, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等学术期刊上发表学术论文100余篇，他引10000余次。已获授权PCT专利1件、中国发明专利20件。2018年作为第一完成人获得上海市自然科学奖一等奖、荣获中国化学会-赢创化学创新奖-杰出科学家奖。

秦朗，复旦大学材料科学系副教授。主要从事仿生液晶材料的基础研究，在光敏手性分子的设计合成、液晶自组装性能调控和液晶纳米复合材料的加工制备等方面开展研究。共发表论文30余篇，作为（共同）第一/通讯作者在Adv. Mater.、Nat. Commun.等期刊发表论文17篇，授权中国发明专利5件。主持国家和省部级科研项目7项，入选上海市“青年科技启明星计划”和首批上海市“超级博士后”激励计划。担任《功能高分子学报》和Smart Molecules学术期刊的青年编委。

姜黎新，复旦大学材料科学系博士研究生，2020年于华中科技大学获得学士学位，目前主要研究方向为基于光致形变液晶高分子的全光控微流体技术，主要集中在全光控微流体器件的设计与构筑、基于全光控微流体器件的免疫检测应用研究等。 

潘峰，复旦大学材料科学系博士研究生。2021年于复旦大学获得学士学位，目前研究方向为4D打印液晶弹性体与软体机器人，主要集中在液晶分子的设计与合成、液晶弹性体的仿生多级结构调控以及智能软体机器人的结构设计与运动学研究。 

扫码阅读俞燕蕾教授团队的精彩Account文章：

All-Optical Microfluidic Technology Enabled by Photodeformable Linear Liquid Crystal Polymers

Lixin Jiang, Lang Qin, Feng Pan, and Yanlei Yu*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00318

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