南科大王宏强团队制备出复杂高长径比的微管道
2022年09月21日 科研新闻 浏览量 :956

近日,南方科技大学机械与能源工程系王宏强副教授团队在《自然通讯》(Nature Communications)发表题为“Self-shrinking soft demoulding for complex high-aspect-ratio microchannels”的研究论文,提出了一种用于制备复杂高长径比的微管道的方法。

20220920161211.gif

微管道是自然界中广泛存在的必不可少的关键功能器件(例如动物血管、植物筛管等),主要承担必不可少的营养物质的运输和扩散,以及废物的排出。同理,近年来随着技术的发展,微管道技术越来越受到广泛的应用和关注。例如在全球疫情防控中广泛使用的核酸检测试剂盒就是基于微流控芯片,微流道正是其中的关键技术。此外微流道在软体机器人、可穿戴传感器、生物制药等领域有着广泛而重要的影响。

但是,如人体毛细血管或植物管道那样细长且形状复杂的微管道的制作仍然是该领域的“圣杯”,是众多专家学者在该领域努力的最终目标。传统常用的软光刻技术只能制备二维方形腔道,而且需要洁净间、工艺复杂。近年新兴的溶解模板法、基体溶胀法,直接3D打印法,仍存在制备结构简单、材料受限、残留有害溶剂、耗时、尺度受限等问题。

研究人员从第一性原理对微腔道技术进行分析,关注到微腔道的形成中,脱模的力学过程是最为关键的因素之一,因此课题组独辟蹊径,通过设计实现可变形的柔性模板,极大减少了模板去除过程中所需的力,一方面理论上这种可变形脱模过程对于微腔道的形状和长度不再敏感,可以制作更为复杂的腔道;另一方面,这种方法所需剥离力非常小,因此可以在非常脆弱的材料中制作微腔道。而且,该方法简单、快速,不需要溶剂(生物安全性好)。

图片1.jpg

 软脱模概念图

课题组基于这种可变形模板制备出各种复杂的微细腔道,包括锥形、螺旋形、双螺旋形、树状,以及马鞍面形的软模板结构。如图2所示。课题组通过软脱模技术制备出直径最小为10 µm和高达6000长径比的微管道。

图片2.jpg

软脱模制备出的各种微管道模型

为展示其广泛应用,课题组通过软脱模技术制备出一系列软体器件。例如,基于该技术,可以制作一个具有双螺旋结构的微型腔道作为气道,充气的时候,可以实现虫子一般的蜷曲,今后可以用于医疗或检测等场景。此外,通过这种方法还可以实现具有变直径螺旋通道的微型柔性天线,可以融入衣料的柔性可穿戴传感器以及变直径的复杂血管模型。相信该技术会对软体机器人、可穿戴设备、医疗模型等领域产生广泛而深远的影响。

图片3.jpg

软脱模技术的各种应用(包括:仿虫型微型软体机器人、软体微型天线、可穿戴传感器,锥形血管模型)

南科大机械系2019级博士研究生范东亮为本文第一作者,王宏强副教授为第一通讯作者,清华深圳国际研究生院秦培武副教授为本文共同通讯作者,南科大为论文第一单位。该项目由国家自然科学基金、广东省自然科学基金等资助。


论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-32859-z


供稿:机械与能源工程系


FOLLOW US @SOCIAL MEDIA
关注社交媒体上的我们
  • 南方科技大学微信

  • 南方科技大学视频号

  • 南方科技大学抖音号

  • 南方科技大学快手号

  • 南方科技大学头条号

  • 南方科技大学南方+