微流控是一種多功能微流體操控技術，能夠支持從醫學診斷、高通量篩選到生物及生化研究等廣泛應用。它是實現芯片實驗室（LOC）和器官芯片（OOC）系統的重要平臺。利用微流控技術能夠進行復雜的生物化學或單細胞分析，并復制人體器官的行為。為了在微尺度上控制流體，這些微流控器件通常包含多種組件，例如微泵、微閥和微混合器等。纖毛是生物體中發現的微觀鞭毛狀結構，為流體操控提供了一種精妙的生物模板。這些數十微米長的附屬物能夠有效地泵送、混合、輸送微粒/流體，甚至感知它們的環境。
生物技術領域的下一個重大突破可能不是來自宏觀機械，而是來自微觀纖毛。在微流控技術的復雜世界里，需要極其精確地操縱微量體積的流體，在這個微觀領域的深處，一個嶄新的角色正在崛起：可編程磁性人工仿生纖毛。這些靈感源于自然界流體運動控制的纖毛狀結構，有望徹底變革我們在微流控芯片上泵送、混合及輸送流體的方式。
據麥姆斯咨詢介紹，荷蘭埃因霍溫理工大學（Eindhoven University of Technology, TU/e）Tongsheng Wang博士的這項研究介紹了一種新的制造方法，它能為仿生纖毛帶來復雜、逼真的運動，告別傳統尺寸較大的管道和微泵，解鎖更快、更智能、更高效的芯片實驗室和器官芯片系統。
在生物體內，纖毛是一種微小的鞭狀結構，它們有節奏地跳動以移動液體，例如清除肺部粘液，以及引導胚胎發育等。這些精妙高效的纖毛激發了研究人員的靈感，在微流控環境中復制纖毛的運動來控制流體。與依賴外部泵的傳統微流控系統不同，人工纖毛提供了一種精簡、獨立的替代方案。利用磁場驅動這些人工纖毛時，無需任何布線或管道，它們就能按程序執行受控的協調運動，為緊湊型、低功耗微流控器件開辟了新的可能性。
打破制造壁壘
在開發這種人工纖毛的過程中，最重大的挑戰之一就是難以制造出能夠進行復雜、逼真運動的三維結構。傳統的光刻技術無法制造能夠復制生物纖毛動態行為的多自由度纖毛。
磁性人工纖毛及其制造工藝
Wang博士的這項研究通過將飛秒激光輔助蝕刻（FLAE）與傳遞模型相結合實現了新突破。這種先進的制造技術可以精確地制造出具有磁響應且結構可調的三維纖毛結構。由此產生的新型人造纖毛不僅在形狀上與生物纖毛相似，而且在功能上也接近生物纖毛，可以按照編程模式跳動、彎曲和擺動。
交替節律運動的力量
這項研究最引人注目的發現之一，是在人工纖毛中展示了交替節律運動波，展示了與自然系統中纖毛波類似的協調、相位偏移運動。這項研究首次提供了直接的實驗證據，證明僅這種波就能在沒有外部不對稱或機械輔助的情況下產生凈流體流動。這一發現標志著微流控設計領域的一個轉折點，證明受生物啟發的運動能夠以簡單、精妙且高度可控的方式驅動流體輸送。
人工纖毛對順時針旋轉均勻磁場的響應
加速流體混合和輸送
長期以來，高效的流體混合一直是微流控技術領域的一項挑戰，因為微流控技術中的微觀尺度限制了湍流，混合速度通常很慢。通過利用人工纖毛的交替節律運動，這項研究實現了短至25秒的混合時間，這是相對傳統系統的巨大改進。這種快速混合對于在芯片實驗室器件上進行的化學反應、醫療診斷和生物檢測具有立竿見影的有益效果。
交替節律運動的高速成像，以及由此產生的顯示“行進渦旋”的速度場
這種方法的多功能性可以擴展到復雜的實際流體中。許多生物醫學相關物質，例如血液和粘液，都表現出剪切稀化行為，即流體粘度隨著剪切速率或剪切應力的增大而減少。人工纖毛通過協調跳動產生局部剪切應力以降低粘度，增強這些流體的輸送能力。這為改進診斷工具、藥物輸送系統和組織工程模型打開了大門，而所有這些都依賴于精確高效的微流體處理。
人工纖毛陣列及實驗芯片的制作
微流控設計掀開新篇章
在這項研究中，先進的激光制造技術與可編程磁性驅動技術的融合，代表著精密微工程領域的一次重大飛躍。通過摒棄傳統的硬件密集型設計，這種方法采用了一種軟性、自適應、受自然啟發的流體流動控制策略。它不僅簡化了器件結構，而且符合醫療保健和生物技術領域對微型化、高效及用戶友好型技術日益增長的需求。
鑒于生物啟發機器人、智能材料和微流控技術在科研和工業領域的應用日益受到關注，它們正與當前的技術趨勢產生強烈共鳴。該研究成果不僅具有新穎的科學貢獻，而且具有產生更廣泛社會影響的真正潛力，引發了從工程和生物醫學到創新驅動媒介等各學科的興趣。
結論
通過將大自然的精妙進化轉化為工程現實，這項研究為微流控技術中的流體控制創建了新范例。這種可編程磁性人工纖毛為傳統流體處理元件提供了一種靈活、可擴展且高效的替代方案。其能夠模仿復雜的生物運動，縮短微流體混合時間，甚至在沒有外部壓力或泵的情況下輸送具有挑戰性的流體，有助于開發更智能、更具適應性的微流控系統，悄無聲息地重塑生物醫學研究領域的新格局。
