通过调节润湿行为在微流体技术方面的最新进展（上）

微流控芯片

润湿性和微流体技术有着千丝万缕的联系，基于润湿性的微流体方法显示出相当大的潜力。除了微流体之外，研究人员对润湿性研究也重新产生了兴趣。微流控技术用于信号检测、细胞培养和材料合成等多个领域，其主要目的是促进微小液滴在宽度约为 10 μm 的窄管内的调节运动。由于对微米级流体力学的理解有限，微流体需要基于润湿性设计的系统建模。本综述首先对仿生表面进行评估，以全面概述润湿性和微流体。该分析强调清晰度和逻辑结构，重点是客观、价值中立的语言和精确的用词。详细探讨了荷叶表面和传统润湿性模型等值得注意的发现，并注意正式的套准、正确的语法和一致的格式。本文回顾了目前润湿性研究的三个主要应用：分离油和水、收集雾水和运输液滴。报告还分析了目前存在的挑战。随后，本文介绍了微流控的基本概念，重点介绍了层流和液滴现象，阐明了微流控中润湿性的关键性。在此基础上，该分析介绍了两种建立基于润湿性机制的系统的技术，并研究了微流体的生物应用，证明了其值得注意的潜力，尽管它有缺点。总之，该分析全面总结了润湿性与微流体之间的关系，以及未来发展的可能前景。总之，本文旨在通过讨论微流控在两者密切相关的背景下的设计、构建和应用，为润湿性和微流控的研究做出贡献。

1. 引言

自莲花效应被发现以来，润湿性研究进入了一个新时代。在以往的研究中，润湿性主要被用作评估材料性能的技术，而不是被视为一种固有特性。例如，研究人员研究了煤和电极材料的润湿性，包括煤的润湿性和电极材料的润湿性。在发现莲花效应（图1a）之后，研究人员开始研究特定的可湿性表面作为热点，从而发现了微纳协同莲花效应（图1a）、玫瑰效应（图1a）、鲨鱼胫（图1b）、鱼鳞（图1b）和蜘蛛丝（图1b）。同时，还开展了仿生界面的润湿性研究，大大增强了对表面界面润湿性和仿生学的认识，包括水稻叶片（图1a）、蝴蝶翅膀（图1a）、仙人掌（图1b）、水蛙（图1a）、树蛙（图1b）。仿生表面通常利用微纳米结构来调节润湿性。这种方法的灵感来自自然界中发现的某些生物表面，例如荷叶表面的超疏水性和壁虎脚垫的粘合能力。这些生物表面具有特定的微纳米结构，结合表面的化学性质，使表面具有独特的润湿性。此外，还启发了材料加工和制备技术。在此基础上，Han等人报道了用于铁路车厢地板的受竹启发的可再生、轻质和减振层压结构。这种复合材料结合了层压板结构设计和仿生复合界面的独特优势。Zhao等人总结了光敏纳米材料在无线神经仿生学、刺激和再生方面的行为，特别是纳米材料-神经界面的光信号转导通路和生物系统。综上所述，生物纳米技术为润湿性研究提供了开创性的研究方向，引发了研究人员对超润湿材料的兴趣。

在此基础上，江课题组提出构建具有特殊润湿性的二元协同纳米界面材料，简化了超润湿材料的生产。超润湿材料的有趣特性使研究人员在油水分离（图2a）、雾收集（图2b）和液滴操作（图2c）方面取得了重大突破。超润湿纺织品在日常使用中的进步，使人们能够遇到超润湿材料的显著特性。由于具有超润湿性的表面的脆弱性，最近生长速度有所放缓。对于工程表面的实际应用，耐久性和大规模制备能力确实是必不可少的。表面的耐久性是一个重大挑战，因为它们容易受到机械损伤和化学侵蚀，这可能导至其超疏水性能的丧失或完全破坏。因此，研究人员已经进行了许多尝试来解决这个问题。Wang等人提出了坚固的超疏水表面的设计。通过合成跨尺度结构、超疏水纳米结构和坚固的微米结构，成功完成了超疏水“装甲”的创建。此外，研究人员还成功地尝试了超疏水表面的大规模制备。Wang等人报道了一种通过激光制造超疏水的简单过程。通过快速的激光加工可以实现大规模的制备，从而有助于创建类似于鱼鳞的仿生超疏水表面。虽然研究人员目前正在探索开发具有高耐久性的超润湿材料的方法，但鉴于现代使用环境日益复杂造成的广泛损害，这似乎不太可能实现。由于这些考虑，研究人员似乎已经失去了对研究润湿性的兴趣。有趣的是，微流体最近成为一项尖端技术，使研究人员能够揭示润湿性的迷人特性。例如，Wang等人实现了高通量单细胞克隆阵列和浓度梯度发生器的集成微流控平台，可同时处理4320个单位并进行3000多个微反应，这是常规药物筛选无法实现的。图2中超润湿材料的呈现与微流控技术并不完全对应。如何实现和实施微流控润湿技术？

本文阐述了亲水-疏水模型来描述表面液滴的形貌和分布，有助于理解微流控液滴的行为和流动模式。详细阐述了微流控的关键原理，特别是微流控系统中的奇异毛细现象以及层流和液滴现象，强调了当前微流控中的液滴操作和系统设计在很大程度上依赖于以润湿性为代表的表面过程，而不是以层流和液滴为代表的微观流体动力学。提出了微流控的两个系统模型，以说明该领域的演变和应用，即开放存取和封闭存取系统，证实了润湿性在微流控中的重要性。两种模型都基于润湿性引起的毛细管效应，突出了润湿性在微流体中的显着影响，尽管它们的构建方法不同，但它们的基本原理保持不变。最后，总结了微流控在诊断和细胞分析中的实际应用，以期在这些领域取得进展。该评论表明，微流控将在未来几年内在医学和生物学领域的广泛自动化和智能化中发挥重要作用。综上所述，本文综述了从仿生学启发的润湿性到润湿性的应用和挑战的进展，并探讨了润湿性驱动的微流控的原理和设计方法，以及其具体应用。一些综述强调超润湿表面的功能或侧重于展示微流体的具体应用，但这些都不是本综述的重点。本综述的目的是强调超润湿性在微流控中的关键作用，并鼓励该领域的未来研究与微流控领域保持一致。

2. 润湿性理论与微流控

2.1. 润湿性理论

了解润湿性理论和开发超润湿材料的实际问题，是掌握润湿性与微流控之间联系的基础。因此，有必要在本节中介绍润湿性理论和超润湿材料的实际方面，以阐明润湿性对微流控发展的意义。

液体在表面界面处的特性称为润湿性。水被用作代表性液体的一个例子，它在表面上显示出吸引力或排斥力。这种行为的状态可以定义为亲水性或疏水性，并由表面的结构和化学性质决定。接触角是液体对表面亲和力的量度。当假设水位于理想的光滑表面上并描述其接触角时，该模型称为杨氏模型（图 1）。随着仿生学的进一步研究和发展，研究人员提出了以下基于表面粗糙度和水滴接触状态的疏水模型。随着仿生学的发展，研究人员提出了以下基于表面粗糙度和水滴接触状态的疏水模型：Wenzel状态（图1c），Cassie状态（图1c），“Lotus”状态（图1c），Wenzel和Cassie状态之间的过渡状态（图1c）和“壁虎”状态（图1c）;以及以下亲水模型：微尺度状态（图1c）、微尺度状态微/纳米尺度状态（图1c）和多孔状态（图1c）。

尽管结构不同，但疏水和亲水模型都是由精细的表面微纳结构构建的。这些精细的表面微纳结构，结合表面化学，使得超湿表面的设计和超湿材料的生产在实践中变得困难。事实上，脆弱的表面微纳结构容易受到机械和化学损伤，导至不均匀的表面化学成分，从而破坏甚至失去润湿性。尽管如此，目前的研究人员已经通过自上而下和自下而上的构造模式增加了微纳米结构的强度，以实现耐久性。然而，艰巨的准备过程和高昂的费用使可行的应用变得不太可能。另一方面，对表面微纳结构制备的研究极大地促进了表面加工科学的进步和完善，使微纳尺度的可润湿结构的构建成为可能，并导至了全新加工方法的创新。不仅如此，还采用了先进的加工技术来加工表面。Xie等人报道了一种实现反应性超疏水表面的单步方法，允许通过表面光刻或表面引发的原子转移自由基聚合通过原子转移自由基添加来化学接枝分子文库。这些研究为微流控的构建提供了思路。

2.2. 微流控

微流控是指使用微管操纵微小流体的系统，是一种新兴的跨学科技术，涉及化学，流体物理，微电子学，生物医学工程。由于小型化和集成化等特点，微流控器件通常被称为微流控芯片，也称为芯片实验室分析系统。微流控的早期概念可以追溯到 1990 年代在硅晶片上使用光刻技术制造气相色谱仪，后来发展成为微流控毛细管电泳仪器和微反应器。在发展过程中，突破是基于表面加工技术的进步，而不是微尺度流体力学的进步，这为目前微流控技术以润湿性为主奠定了基础。微流控的尺度在微纳级（10 μm），流量仅受几何长度尺度的限制，以实现这种几何约束的方法，这使得微流控系统在润湿性和微纳尺度流体动力学存在下受到毛细管作用。微流控的关键特征之一是具有独特流体特性（如层流和液滴）的微尺度环境。层流现象与湍流相反，是指流体的层流，其流线彼此平行并与管壁平行。当不同的流体从不同的入口进入同一个微通道时，即使它们混合在一起，它们也会形成分层的多相平行流。利用层流的这种几何规律性，可以实现微通道中材料和细胞的有序排列。例如，Park等人利用层流实现了微流控通道中单壁碳纳米管的原位沉积和图案化（图4a）。这种方法的沉积速率可以很高，管子的覆盖范围可以控制在很宽的范围内，并且管子的形状（孤立的单个管或管束）可以由加工条件定义。该方法还与多种基材兼容，不需要对试管或基材进行化学修饰。另一方面，液滴现象是指当流体的两个不混溶相在微流体通道中流动时，流体的一个相在液/液界面张力和剪切力的影响下形成高度均匀的间断流动。例如，Gao等人报道了一种使用微流体和生物表面活性剂控制液滴形状的方法（图4b）。他们探索了界面蛋白质网络的机械特性，以阐明液滴形状守恒现象背后的机制，并使液滴稳定凝聚数月并保持非球形数小时。

然而，对层流和液滴现象的研究进展有限。流体力学的检验尚未成功达到微米级。流体力学的研究尚未探索微米尺度。理论模型通常依赖于理想的假设，但这些条件很难在实验中完全实现。此外，微流控实验在小规模上进行，这可能导至以前微不足道的影响变得显着。此外，实验中使用的材料可能具有不均匀性，而理论模型通常假设材料是均匀的。此外，微流体通道表面的粗糙度和表面处理有可能影响流体行为，这在理论模型中可能没有得到解释。因此，对微流控特有现象的研究只能通过实验验证来完成，而不能依赖于计算预测。因此，微流控技术目前的特点是其易操作性，以及复杂的微流控装置的制备。这代表了目前在研究微流体时润湿性驱动的表面工程科学的缺点。尽管如此，通过全面理解微流控系统中的润湿性现象，它有利于增强微流控技术。

简而言之，微流体本质上是在微米尺度上操纵通道中的液滴。在这种状态下，液滴由润湿性和驱动系统实现运动的能量控制。由于微纳尺度的流体力学尚未得到很好的建立，因此必须根据微尺度的润湿性理论来描述该过程。接下来的两节描述了基于润湿性研究的微流体系统中的毛细管和动态润湿现象。通过这种方式，将更详细地解释微流体与润湿性之间的关系，以及微观尺度的研究现状。

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