功能軟物質(zhì)材料及其在微流控領(lǐng)域的應(yīng)用

何仲，張萌穎，溫維佳③??

①上海大學(xué)材料基因組工程研究院，上海 200444；②上海大學(xué)理學(xué)院，上海 200444；③香港科技大學(xué)物理系，香港九龍 清水灣

專題綜述

功能軟物質(zhì)材料及其在微流控領(lǐng)域的應(yīng)用

何仲①，張萌穎②?，溫維佳①③??

①上海大學(xué)材料基因組工程研究院，上海 200444；②上海大學(xué)理學(xué)院，上海 200444；③香港科技大學(xué)物理系，香港九龍 清水灣

功能軟物質(zhì)材料是一種在特定外界刺激下表現(xiàn)相應(yīng)功能的軟物質(zhì)材料。功能軟物質(zhì)材料在微小的作用下就能展現(xiàn)強(qiáng)大的功能，因此在智能控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，也成為了軟物質(zhì)研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文介紹了液晶、功能膜、水凝膠和PDMS復(fù)合材料等幾種典型的功能軟物質(zhì)材料，以及PDMS復(fù)合材料在微流控領(lǐng)域的具體應(yīng)用。

軟物質(zhì)；功能材料；PDMS復(fù)合材料；微流控

軟物質(zhì)(soft matter)，又稱軟凝聚態(tài)物質(zhì)，其物態(tài)介于固態(tài)和理想流體之間。它常出現(xiàn)在我們的生活中，如果凍、液晶、橡膠等。軟物質(zhì)的基本特征可總結(jié)為“小作用，大變化”，即在外界微小的作用下可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)或性能上的顯著變化。對(duì)于不同體系，這種外界作用可以是力、熱、電、光、磁及化學(xué)擾動(dòng)和摻雜等。許多軟物質(zhì)材料具有特殊的物理性能，或在特定的外界刺激下顯示出特殊的性能，我們稱之為功能軟物質(zhì)材料。例如：電流變液/磁流變液在電場(chǎng)/磁場(chǎng)作用下黏度可發(fā)生巨大的變化，可稱之為電/磁響應(yīng)功能軟物質(zhì)材料。

功能軟物質(zhì)材料一般由功能性大分子或基團(tuán)組成，通常是高分子材料或復(fù)合材料。本文主要介紹4種常見的功能軟物質(zhì)材料：液晶、功能膜、水凝膠及復(fù)合功能材料。

1 液晶材料

液晶是一種為大多數(shù)人所熟知的功能軟物質(zhì)材料。某些物質(zhì)在熔融狀態(tài)或被溶劑溶解之后，失去固體的剛性，同時(shí)獲得液體的易流動(dòng)性，并保留著部分晶態(tài)物質(zhì)分子的各向異性，形成一種兼有晶體和液體的部分性質(zhì)的中間態(tài)。這種由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化過程中存在的取向有序流體稱為液晶。能形成液晶的物質(zhì)通常在分子中具有剛性結(jié)構(gòu)，習(xí)慣上稱為液晶基元。液晶基元通常是棒狀或盤狀，有利于分子的有序堆積。按照分子量的大小，可以將液晶分為小分子液晶和高分子液晶。高分子液晶的分子內(nèi)存在剛性結(jié)構(gòu)，分子間作用力大，容易形成有序堆積結(jié)構(gòu)，因此結(jié)晶度高，力學(xué)性能好，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。其有序性可以將分子的折射率、偶極矩、磁化率、剪切黏度、旋光性等微觀特征宏觀化，表現(xiàn)出特殊的光、電、磁和力學(xué)效應(yīng)。另外，高分子液晶的相態(tài)結(jié)構(gòu)受環(huán)境因素影響顯著，如溫度、溶劑、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等，調(diào)整這些因素可以改變材料的晶相結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變材料的相關(guān)屬性[1-2]。目前廣泛使用的液晶電視，就是利用液晶里的晶體在電場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)，使液晶屏的透光率改變，產(chǎn)生像素單元的明暗變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顯示功能的。

高分子液晶的這些特殊物理化學(xué)性質(zhì)也使其在高性能工程材料、圖像顯示材料、溫度和化學(xué)敏感器核心材料、非線性光學(xué)材料和壓電材料等方面有重要的應(yīng)用[3]。復(fù)旦大學(xué)俞燕蕾等設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈液晶高分子材料，實(shí)現(xiàn)了精確光控微量液體運(yùn)動(dòng)[4-5]。這種液晶高分子的主鏈具有類似橡膠類材料的柔順結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈中的偶氮苯既是液晶結(jié)構(gòu)，同時(shí)又是光響應(yīng)基團(tuán)，較長(zhǎng)的柔性間隔基有利于液晶有序結(jié)構(gòu)的形成。將液晶高分子溶液涂覆于毛細(xì)管模板，溶劑揮發(fā)后分離毛細(xì)管模板即得到管狀執(zhí)行器。利用衰減光照射并精確調(diào)控微管執(zhí)行器，所產(chǎn)生的不對(duì)稱光致形變可誘導(dǎo)產(chǎn)生毛細(xì)作用力，從而驅(qū)動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)。這一微管可用于模擬人工血管通道，開創(chuàng)了“柔性通道”的新方向。

2 功能膜材料

日常生活中另一常見的軟物質(zhì)功能材料是功能膜。普通合成膜材料如廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的塑料膜或保鮮膜等，主要用于隔離與保護(hù)方面；用于混合物分離目的的功能膜材料最早可追溯到1846年，Schonnbein使用硝酸纖維素制成有實(shí)用意義的氣體分離膜。1960年后膜科學(xué)進(jìn)入黃金發(fā)展期，大量功能膜材料涌現(xiàn)。這些功能膜材料中有很大一部分是高分子材料。高分子功能膜按照其功能可劃分為分離功能膜(氣體分離膜、液體分離膜、離子交換膜、化學(xué)功能膜等)、能量轉(zhuǎn)化功能膜(包括濃差能量轉(zhuǎn)化膜、光能轉(zhuǎn)化膜、電能轉(zhuǎn)化膜、導(dǎo)電膜)、生物功能膜(探感膜、生物反應(yīng)器、醫(yī)用膜)等[6]。

分離膜是最重要的功能膜。利用膜對(duì)不同物質(zhì)的透過性不同，在一定的傳質(zhì)推動(dòng)力下，可以對(duì)混合物進(jìn)行分離。分離膜的材料種類有很多，在這其中天然高分子材料已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。天然高分子分離膜材料主要有改性纖維素及其衍生物類、殼聚糖類、海藻酸鈉類等。以纖維素及其衍生物膜為例，用乙?；〈u基制備得到的醋酸纖維素，分子間作用力減弱，分子間距增大，制膜工藝簡(jiǎn)單，成膜后選擇性高、透水量大，在中空纖維膜的制備中有較好性能，也已經(jīng)應(yīng)用于氣體分離、血液過濾等[7]。Sabira等[8]使用醋酸纖維素和聚乙二醇復(fù)合制備反滲透膜，具有良好的親水性能，脫鹽率達(dá)到99.8%，復(fù)合膜的選擇滲透性非常優(yōu)秀。Miao等[9]用聚乙烯醇和羧甲基纖維素制備復(fù)合納濾膜，該膜對(duì)Na2SO4和NaCl的脫鹽率達(dá)到93.7%和32.6%，其較高的滲透通量使得其有海水脫鹽和硬水軟化的應(yīng)用潛力。Lan等[10]用二甲基亞砜與三氯甲烷溶解二醋酸纖維素，制得的納米纖維膜對(duì)牛血清蛋白的吸附含量為300.11 mg/g，說明纖維素及其衍生物膜材料也可應(yīng)用于蛋白質(zhì)濃縮分離。對(duì)于纖維素類膜的研究主要集中在提高化學(xué)穩(wěn)定性、壓密性等，可通過改性纖維素類材料如引入脂基改善親水性來達(dá)到目的。除天然高分子分離膜材料外，還有聚烯烴類膜材料、聚酰胺類膜材料、聚砜類膜材料、含氟高分子材料、芳香族雜環(huán)材料等作為原料制得的高分子分離膜[11]。

近年來對(duì)膜材料的智能化研究越來越受到關(guān)注，智能膜材料的結(jié)構(gòu)、有效孔徑、膜的通量以及膜的性質(zhì)可以隨著光、電、溫度和pH等因素的改變而發(fā)生變化，這種能對(duì)外界刺激做出相應(yīng)變化的特點(diǎn)促使智能膜材料成為新型的功能性膜材料[12]。智能膜在控制釋放、化學(xué)分離、生物分離、化學(xué)傳感器、人工細(xì)胞、人工臟器等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價(jià)值，是膜科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。

3 水凝膠

水凝膠是一種三維網(wǎng)絡(luò)聚合物，可以吸水溶脹并保持大量水分。1960年Wichterle和Lim合成第一個(gè)交聯(lián)的聚羥乙基丙烯酸甲酯(PHEMA)水凝膠[13]， 此后水凝膠優(yōu)良的溶脹性、透過性、生物相容性等得到證實(shí)，并在日化、環(huán)境、食品以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[14]。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于水凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)、較好的生物相容性和仿生特點(diǎn)等，水凝膠在如創(chuàng)傷敷料、藥物釋放載體、組織工程等方面有重要應(yīng)用[15]。常用聚乙二醇、聚乙烯醇、海藻酸、纖維素、多聚糖等人工合成或天然高分子材料制備水凝膠敷料。相比傳統(tǒng)敷料，水凝膠敷料具有更好的親水性，而且彈性好、柔軟服帖、透水透氣，換藥時(shí)對(duì)創(chuàng)面的影響很小。在制作水凝膠敷料時(shí)還可以加入一定的藥物，讓藥物在創(chuàng)口處緩釋，達(dá)到局部抗菌的功能[16]。

在水凝膠中引入親水性基團(tuán)、抗菌基團(tuán)，如聚乙二醇、兩性離子等，可合成具有特殊作用的水凝膠(如抗菌、生物相容性好、改善藥物的溫度酸度敏感性)，作為藥物輸送載體[17]。在藥物輸送載體水凝膠中，納米水凝膠是目前的研究熱點(diǎn)。納米水凝膠具有和宏觀水凝膠相似的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，包括良好的生物相容性、理想的理化性質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度等。此外，納米水凝膠還有更多的優(yōu)點(diǎn)，如靜脈注射時(shí)納米水凝膠抵達(dá)宏觀水凝膠難以抵達(dá)的人體部位，還可以被細(xì)胞攝入，作為小分子藥物的載體。目前，能對(duì)外部環(huán)境(溫度、pH、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等)的變化做出快速響應(yīng)、執(zhí)行特定功能的智能水凝膠成為藥物釋放載體領(lǐng)域的焦點(diǎn)[15,18]。以pH響應(yīng)智能水凝膠為例，通過細(xì)胞內(nèi)外pH不同引起的體內(nèi)pH微環(huán)境變化就可以控制和觸發(fā)藥物的釋放。例如：Mukhopadhyay 等制備的聚丙烯酸/S-殼聚糖pH敏感水凝膠作為口服胰島素載體，在胃酸(pH=1.2)條件下胰島素釋放率低于26%，而腸道酸度(pH=7.4)時(shí)釋放率達(dá)到98%，因而胰島素只在腸道被消化吸收[19]。

水凝膠在組織工程方面也有重要的應(yīng)用。水凝膠內(nèi)部多孔，適合細(xì)胞種植。以聚乳酸(PLA)水凝膠為例，聚乳酸無毒，水溶性和生物相容性好，簡(jiǎn)單易得，可塑性強(qiáng)，無免疫原，在體內(nèi)即可被周圍組織吸收且排出體外，是理想的細(xì)胞種植材料。將PLA與其他高分子復(fù)合可以制備性能更好的水凝膠。早在1996 年，曹誼林等在體外將 PGA 和 PLA 共聚物按照人耳形狀成型成一支架，再將原代牛軟骨細(xì)胞接種于該支架上，然后植入裸鼠背部皮下組織，培養(yǎng)4周后，聚合物支架形狀仍保持完整，到12周后，裸鼠背部再生了與人耳結(jié)構(gòu)和成分非常接近的耳廓軟骨組織。這一創(chuàng)新性突破表明水凝膠在組織工程上的應(yīng)用潛力，也促進(jìn)了軟骨組織工程的發(fā)展[20]。

圖1 智能水凝膠膜在不同溫度下的透明度：(a)～(c)水凝膠膜在不同溫度下的表現(xiàn)；(d)～(f)模擬溫室在不同溫度下的表現(xiàn)

利用智能水凝膠受外界環(huán)境刺激發(fā)生變化的特點(diǎn)，香港科技大學(xué)溫維佳教授團(tuán)隊(duì)的Li Jiaxing等用瓊脂做支架制成一種熱敏水凝膠[22-23]。這種水凝膠內(nèi)含有的表面活性劑分子，可以在內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中自由穿梭，在溫度上升時(shí)兩種非離子表面活性劑發(fā)生聚合。這兩種非離子表面活性劑分子分別是：聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物(EPE)和聚氧乙烯辛烷基苯酚醚(TX-100)。為了實(shí)現(xiàn)靈活控制不透明-透明變化溫度(OTTT)，表面活性劑的聚集還通過加非離子表面活性劑或鹽進(jìn)行了改性。以瓊脂為原料生產(chǎn)的熱敏水凝膠相比傳統(tǒng)的熱敏水凝膠造價(jià)更低、無毒且可生物降解。用這種水凝膠制成2 mm厚的薄膜，將薄膜置于水中即可以通過調(diào)節(jié)水的溫度控制水凝膠的溫度。如圖1，可以看到在25 ℃時(shí)薄膜是透明的，薄膜下面的文字和顏色圖清晰可見(圖1(a))；溫度上升到52 ℃，即水凝膠的不透明-透明變化溫度(OTTT)時(shí)，薄膜變?yōu)榘胪该鳡顟B(tài)(圖1(b))；繼續(xù)升溫到55 ℃時(shí)薄膜基本變?yōu)椴煌该鳡顟B(tài)(圖1(c))。而且這一過程是可逆的，薄膜冷卻至室溫后，還可以恢復(fù)至透明。這種熱敏水凝膠可以用于制備智能溫感玻璃，通過熱敏水凝膠隨溫度的變化來控制玻璃的透光度。若應(yīng)用于植物培植的玻璃溫室，即可充分利用自然光，降低能耗。

4 復(fù)合功能材料

以軟物質(zhì)材料為基礎(chǔ)的復(fù)合材料，通過引入具有特殊功能的成分，賦予了軟物質(zhì)材料新的功能。以微流控領(lǐng)域常用的高分子材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)為例，由于其透明、生物相容性好、容易加工且有較好的柔性，在微流控芯片領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。然而PDMS對(duì)其他外界刺激不敏感，并且與其他物質(zhì)之間較難黏合，諸多電學(xué)、磁學(xué)等相應(yīng)功能無法應(yīng)用到PDMS微流控芯片當(dāng)中，因此，將PDMS材料功能化有著重要的意義。

香港科技大學(xué)的溫維佳教授團(tuán)隊(duì)在PDMS中引入導(dǎo)電/磁性成分，得到導(dǎo)電/磁性功能PDMS復(fù)合材料，制備了柔性電極及磁響應(yīng)彈性薄膜等，并與微流控技術(shù)及其他功能材料相結(jié)合，開發(fā)了一系列新的功能器件，推動(dòng)了微流控芯片的功能開發(fā)及其集成化、智能化[24]。

(1)電響應(yīng)PDMS復(fù)合材料

溫維佳團(tuán)隊(duì)在PDMS中分別引入了炭黑和銀粉，制成C-PDMS和Ag-PDMS復(fù)合導(dǎo)電軟物質(zhì)材料[25]，并用于制作柔性電極和微流控器件，包括微流體混合器、微加熱器、微泵、液滴控制器、電極、壓力傳感器等。

PDMS中混入10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的炭黑制成C-PDMS就可以導(dǎo)電，混入83%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銀粉得到的Ag-PDMS也可以表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，而且混入的炭黑或銀粉越多，復(fù)合材料的導(dǎo)電性越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，C-PDMS和Ag-PDMS的電阻率還與溫度有關(guān)：在25～150 ℃范圍內(nèi)，C-PDMS的電阻率隨著溫度的升高而變大；Ag-PDMS的電阻率則在120 ℃時(shí)達(dá)到最高，此后隨著溫度上升電阻率降低。此外，C-PDMS與Ag-PDMS的導(dǎo)電性也與外加材料的拉力有關(guān)，外加拉力后C-PDMS和Ag-PDMS的電導(dǎo)率單調(diào)增加。這是由于在拉伸PDMS樣品的過程中，內(nèi)部所含導(dǎo)電顆粒之間的接觸面積更大，反之亦然。拉力移除后C-PDMS的電導(dǎo)率會(huì)基本恢復(fù)到初始值，而Ag-PDMS相對(duì)需要更多的時(shí)間(可能長(zhǎng)達(dá)1 h)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖2 (a)Ag-PDMS(84%)復(fù)合材料的SEM圖；(b)C-PDMS(28 %)復(fù)合材料的SEM圖；(c)微流控液滴檢測(cè)器實(shí)時(shí)圖像；(d)檢測(cè)信號(hào)圖

由于這兩種電響應(yīng)PDMS復(fù)合材料優(yōu)良的導(dǎo)電性及易加工性，將其作為微流控芯片的內(nèi)置電極即可在PDMS微流控芯片中引入電學(xué)控制，實(shí)現(xiàn)液滴檢測(cè)與控制，如圖2(c)～2(d)所示。將這類內(nèi)置柔性微電極與巨電流變液(giant electrorheological fluid，GERF)智能材料相結(jié)合，還可以形成微閥、微泵、微操控平臺(tái)等[26]。

根據(jù)PDMS復(fù)合導(dǎo)電材料受力發(fā)生形變時(shí)電阻率會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化的特性，溫維佳教授研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了微流體壓力傳感器[27]，如圖3(a)和圖3(b)所示。將Ag-PDMS制成導(dǎo)線印刷在PDMS微米薄膜上，置于微流通道的側(cè)壁上即可實(shí)現(xiàn)微流體壓力傳感。微流管道中液體流動(dòng)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)會(huì)使位于側(cè)壁的薄膜發(fā)生相應(yīng)形變，繼而改變PDMS復(fù)合材料的電阻率而產(chǎn)生電信號(hào)的變化，根據(jù)電信號(hào)即可判斷所受壓力的大小。該傳感器的響應(yīng)時(shí)間在100 ms左右，工作區(qū)間為0～100 kPa，精度大約為0.1 kPa，更高壓強(qiáng)下傳感器的精度可以達(dá)到0.01 kPa。這種傳感器制造過程簡(jiǎn)單，是基于PDMS材料制造的微流控芯片中理想的測(cè)量/監(jiān)測(cè)壓力的方式。

利用導(dǎo)體通電易發(fā)熱的性質(zhì)，可將該復(fù)合材料與熱敏材料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)柔性顯示。熱致變色粉末是一種光學(xué)性質(zhì)(如顏色)隨溫度變化的材料，這種變化還是可逆可重復(fù)的。Liu Liyu等將熱致變色粉末與PDMS充分混合得到膠狀物，利用平版印刷技術(shù)，能簡(jiǎn)單方便地將集成電路與細(xì)小的Ag-PDMS導(dǎo)線印到紙狀的復(fù)合膠狀物上，得到150 μm左右厚度的熱致變色顯示屏。加上電壓后顯示屏溫度升高，從而顯示圖形(圖3(c))。這種柔性顯示屏有良好的圖像顯示能力，便于攜帶、容易控制且耗能很低[28-30]。

(2)磁響應(yīng)PDMS復(fù)合材料

將羰基鐵粉(CI)均勻分散在PDMS中，就可以得到一種羰基鐵-PDMS(CI-PDMS)磁響應(yīng)復(fù)合彈性體。這種彈性體表現(xiàn)出高的磁化性質(zhì)和很好的機(jī)械靈活性，將這種材料制成磁流變彈性薄膜，在較低的磁場(chǎng)就可以做出響應(yīng)，已被集成應(yīng)用到磁響應(yīng)的微流體混合器中[31]。外加磁場(chǎng)時(shí)，這種磁彈體薄膜會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變，且形變量隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增大而增大。材料所含羰基鐵與PDMS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，磁性薄膜對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)的強(qiáng)度也不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將這種復(fù)合磁彈性體制成1 mm直徑、100 μm厚的薄膜，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為100 mT時(shí)，CI/PDMS的質(zhì)量比為2.0時(shí)薄膜對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)表現(xiàn)的最好。CI/PDMS的質(zhì)量比在0～2.0內(nèi)，羰基鐵的比例越高，薄膜形變?cè)酱?；CI/PDMS的質(zhì)量比在2.0～4.0內(nèi)，羰基鐵比例越高，薄膜形變反而更小。在這個(gè)過程中楊氏模量隨著磁場(chǎng)的變化線性增大，但是羰基鐵含量的增加使得薄膜較難發(fā)生更大的形變。這種隨著磁響應(yīng)發(fā)生變化的薄膜可以很好地應(yīng)用到微流控芯片的液體流動(dòng)控制中(圖4)。

圖3 (a)微流體壓力傳感器裝置示意圖；(b)壓力傳感器工作原理；(c)柔性顯示屏未加電壓時(shí)的表現(xiàn)；(d)柔性顯示屏加上電壓后顯示出圖像

圖4 (a)CI-PDMS復(fù)合材料的SEM圖； (b)CI-PDMS 磁彈性薄膜(CI/PDMS=1.0，～1.0 mm直徑，～100 μm厚)在100 mT磁場(chǎng)下發(fā)生形變；(c)CI-PDMS 磁彈性薄膜制成的微流混合器顯微照片

溫維佳教授研究組還將PDMS與磁性納米/微米顆粒制成磁響應(yīng)彈性微球。這種微球可以是核-殼結(jié)構(gòu)(微球的外面是一層PDMS殼，內(nèi)部是磁性顆粒)或者固體結(jié)構(gòu)[32]。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)微球內(nèi)部磁性顆粒處于無序狀態(tài)，加上外加磁場(chǎng)后顆粒有序定向排列，使得小球發(fā)生磁場(chǎng)方向的拉伸形變，從類圓球變成橢圓球體，這樣微球就產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，可以作為磁場(chǎng)響應(yīng)與控制的智能材料。借助微流控技術(shù)中的MFF(microfluidic flow-focusing)方法可將PDMS磁響應(yīng)材料制成藥物緩釋磁性微球[33]。該緩釋微球?yàn)楹?殼結(jié)構(gòu)，外層是PDMS磁響應(yīng)材料，內(nèi)部密封有阿司匹林的水溶液。由于外層材料表現(xiàn)出了磁響應(yīng)的特征，內(nèi)部的阿司匹林溶液的釋放可以通過改變磁場(chǎng)強(qiáng)度大小、頻率以及時(shí)間分布來進(jìn)行控制。在外加交流磁場(chǎng)后微球的形狀順著磁場(chǎng)方向由球體變?yōu)闄E球體，阿司匹林溶液從外部交聯(lián)的殼之間釋放。控制交流磁場(chǎng)的頻率為5 Hz時(shí)，增大外加磁場(chǎng)強(qiáng)度可以提高藥物的釋放率；在0～20 Hz范圍內(nèi)，提高磁場(chǎng)頻率也可以提高藥物的釋放率。研究還發(fā)現(xiàn)，藥物的釋放率對(duì)磁場(chǎng)的突然變化很敏感，磁場(chǎng)大小變化時(shí)間為階梯函數(shù)時(shí)可以有效提高藥物釋放率。由于PDMS透明、無毒且生物相容性好，這種磁響應(yīng)的彈性小球在藥物輸送、生物傳感、生物分離與醫(yī)學(xué)診斷上有潛在的應(yīng)用前景。

5 功能軟物質(zhì)展望

功能軟物質(zhì)材料兼具功能材料的功能性及軟物質(zhì)的強(qiáng)響應(yīng)能力，是近幾年來材料研發(fā)的熱點(diǎn)。在功能軟物質(zhì)材料的研發(fā)中，越來越多的功能被開發(fā)，材料對(duì)外界刺激響應(yīng)的靈敏度也不斷被提高。此外，通過材料的復(fù)合，能夠?qū)ν饨缍喾N刺激產(chǎn)生不同響應(yīng)的復(fù)合多功能軟物質(zhì)材料也是目前該領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。隨著人們生活的智能化的呼聲越來越高，功能軟物質(zhì)材料因其對(duì)特殊外界刺激的快速、強(qiáng)烈的響應(yīng)能力也逐漸被重視及應(yīng)用。相信不久的將來，這些功能各異的軟物質(zhì)材料將在科研、工作、生活、醫(yī)療等領(lǐng)域隨處可見。

(2017年2月4日收稿)■

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(編輯：溫文)

Functional soft matter and some applications in microfluidic

HE Zhong①, ZHANG Mengying②, WEN Weijia③
①M(fèi)aterials Genome Institute, Shanghai University, Shanghai 2004444, China; ②College of Sciences, Shanghai University, Shanghai 200444, China; ③Department of Physics, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bar, Hong Kong, China

Functional soft matter material is a kind of soft matter which can perform special functions under appropriate stimulations. Functional soft matter materials have broad applications especially in intelligent control, and become a hot topic in soft matter research area. In this article, we mainly introduced four typical functional soft matter materials: liquid crystal, functional membrane, hydrogel and PDMS composites, as well as some specific applications of the PDMS composites in microfluidic control.

soft matter, functional material, PDMS composite, microfluidic control

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.02.003

?通信作者，E-mail: zhang.my@t.shu.edu.cn

??海外及港澳青年學(xué)者合作研究基金獲得者，2014年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)獲得者，研究方向：軟凝聚態(tài)物理及軟物質(zhì)智能材料、先進(jìn)功能材料及智能制造、微納流芯片技術(shù)及控制、光學(xué)材料與生物材料技術(shù)及應(yīng)用等