微致动器可以自主地吸收外部能量刺激转换为特定的机械运动。具有从微米到毫米尺度特征尺寸的微致动器能极大促进小型化设备的操作和控制,在生物学、诊断和精准医疗方面显示出巨大的研究价值。基于各种形式的能量转换,目前研究人员已经提出了多种驱动策略,如电场、声场、光场、磁场、或生物因子梯度等。近年来,为了将微致动器用于执行不同环境下的任务,不能简单地将微致动器作为单独的器件使用,对于将微致动器进行系统集成的需求与日俱增。微流控芯片由于其在微流体操纵方面的突出优势而被认为是一个强大的微操控平台。特别是,随着先进微流体技术的快速发展,微致动器在其制造方法、驱动策略和多功能应用方面遇到了新的机遇。首先,因为微流体的种类、通量和速度可以使用微流控芯片来连续控制,所以可以使用具有不同材料组分的微流用于在芯片上制造微致动器。使用微流控芯片中层流形成的异质界面生产的微致动器可以有效避免逐层沉积制造带来的应力失配问题,大大提高了微致动器的可靠性和耐久性。第二,对于具有特定化学或物理特性(例如pH、浓度和温度)响应的致动器,可以通过调节微流体来实现微致动器的快速调节。此外,通过控制微流体,可以有效地形成化学梯度,诱导致动器的趋化运动。第三,微致动器和微流体系统的交叉可以为新的应用开辟道路,包括片上集成微操作和微传感,这可以显著增强微流控芯片的检测和分析功能。因此,在近几年中,人们致力于探索通过微流体技术实现微致动器的制造、驱动和功能化的新方法。近日,上海交通大学马卓晨副教授在《Small》期刊上发表了题为“Microfluidic Approaches for Microactuators: From Fabrication, Actuation, to Functionalization”的综述文章,全面回顾了微流体对微致动器制造-驱动-功能化带来的新机遇和挑战,整体框架如图1所示。首先,根据微流体的流动状态,制造策略可以主要分为两种:静态流体和动态连续流体成型。随后论文详细讨论了微流控芯片中微致动器的基本工作机制。当微致动器集成于微流体系统时,需要适当的驱动能量,包括微流体、磁场、声场和光场。最后,论文展示了微流控芯片中微致动器集成系统功能化的进展,包括可调谐成像系统、微操作工具、微马达和微传感器。论文最后也对这种集成化的智能微系统未来在微小物体的高通量操控、测量和分析方面的应用(如组织工程、微纳米机器人和生物分析设备)进行了展望。
图1. 基于微流体的微致动器制造、驱动及功能化应用案例该论文作者还包括上海交通大学陈卫东教授、王贺升教授、杨广中教授,通讯作者为上海交通大学生物医学工程学院韩冰助理教授。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300469.