마이크로 흐름 제어 기술의 핵심은 마이크로미터 척도에서 유체의 정확한 조작을 실현하는 것이다.이 기술은 관련 연구에 효율적이고 소모가 적은 기술적 지원을 제공하여 화학합성, 생물연구, 질병진단 등 분야에서 중요한 응용가치를 가지고 있다.기술 발전을 보면, 마이크로 흐름 제어 시스템은 주로 두 종류로 나뉜다: 하나는"칩 실험실 (Lab on a Chip, LoC)"이다. 마이크로 칩에 마이크로 채널을 각식함으로써 유체 조작과 다단계 실험 통합을 실현한다. 그러나 그 폐쇄 환경은 샘플의 접근성이 떨어지고 제조 원가가 비교적 높으며 샘플의 로딩과 오프로드는 전문적인 조작 기술이 필요하다;다른 한 부류는 개방식 마이크로흐름제어장치로서 비록 페쇄시스템의 접근성문제를 해결하였지만 안정적인 련속흐름펌프송출을 실현하기 어려우므로복잡하고 다단계적인 실험 절차를 완성하는 데 한계가 있다。

오랫동안 과학 연구 분야는 개방적이고 조작하기 쉬운 특성을 유지하는 전제하에 어떻게 안정적이고 통제 가능한 연속 흐름 펌프 송출과 다단계 통합 조작을 실현할 것인가에 대한 핵심 도전에 직면해 있다.이 문제는 주류 과학 연구 장면에서 마이크로 흐름 제어 기술의 보급 응용을 제약하는 것이 되었고, 생물 계발에 기초한 혁신 설계는 이 난제를 해결하는 데 획기적인 사고를 제공하고 있다.

최근,베이징이공대학 류샤오밍 교수팀은"PNAS"에서정기간행물에 온라인으로 제목을 발표하였다.“끝에 대한 실험실: 끝 효과자로서 acoustohydrodynamic 기둥 배열을 사용하여 마이크로 조작”의 논저.이 연구는 섬모 구조의 협동 운동 특성에 영감을 받아'Lab on an End(LoE·말단 실험실)'라는 음향학적 유체 마이크로포스트 배열 장치를 설계했다., 마이크로 유체 개방 환경과 시공 연속 유체 조작의 호환을 실현하여 마이크로 척도 입자, 생물 목표 및 액체에 대한 척도, 다기능, 유연한 조종 능력을 보여주었다.

첫째, 팀 활용모방 정밀면 투영 마이크로 입체 광각 (P μSL) 3D 프린팅 기술 (nanoArch® P140，정밀도: 10μm)빗 모양 끝 실행기를 만들었어요.초음파 에너지 교환기의 구동 하에 말단 집행기 부근에서 음장과 국부 음류체 현상이 발생할 것이다.입력 신호의 주파수와 폭을 조정하여 음류체로 하여금 면내 전송 흐름, 면외 회전 흐름 및 음향 복사력에 기초한 포획 세 가지 효과를 나타내게 할 수 있으며, 나아가 마이크로 목표물에 대한 포획, 초점 이동, 회전 및 양방향 수송 등의 기능을 실현할 수 있으며, 조작 목표는 수 마이크로미터의 HeLa 세포에서 밀리미터 척도의 얼룩말 새싹을 포함한다.또한 3D 프린팅 빗 모양의 끝부분의 표면은 비교적 큰 모세력을 발생시키기 때문에 액체가 소수 표면에 떨어져 이동하도록 견인할 수 있다.

연구진은 LoE의 개체 표적 조종 능력을 검증하기 위해 입자 추적을 통해 위의 세 가지 음향학적 작용 효과 (그림 2A-2C) 를 검증했으며, 100 μm 크기의 폴리스티렌 (PS) 입자를 더 이용하여 표적에 대한 포획, 초점이동, 회전 및 양방향 수송 능력을 검증했다 (그림 2D-2G).다른 말단 실행기에 비해 병행 조종 능력도 갖춘 LoE는 연구진이 여러 목표물을 동시에 조종함으로써 분산 입자를'BIT'문양으로 배열하는 능력을 보여줬다 (그림 2H).

개인미립자조종에 기초하여 연구원들은 부동한 생물의학, 화학연구분야에서의 LoE의 응용을 한층 더 탐색하였다.

연구진은 LoE를 이용해'끝에서 끝까지'보조생식 체외세포 조종 프로세스를 완성했다.먼저 LoE의 포획 기능을 이용해 곳곳에 흩어진 난모세포를 포획해 한 줄로 배열한다(그림 3B).둘째, LoE의 면내 연속 전송 흐름을 통해 포획된 난모세포를 조종 창으로 수송하고 현미경 시야를 창 안에 초점을 맞춘다 (그림 3C);마지막으로 LoE의 면외 연속 회전 흐름을 이용하여 조종창 내 난모세포의 자세를 조정하고 이를 관찰하고 재정의한다 (그림 3D).재배정을 거친 난모세포는 포장 내 정자 주사 후 배아로 계속 발육할 수 있다 (그림 3E).배아 발육 과정에서 LoE를 통해 시기별 상태를 지속적으로 관찰하고 현미경 시각 3차원 재건 기술을 통해 배아 발육 품질을 평가할 수 있다 (그림 3F-3G).상술한 다단계 복잡한 조작은 모두 같은 말단 집행기를 통해 완성할 수 있으며,"시간 연속 흐름"을 이용하여 복잡한 다단계 처리를 하는 능력을 구현하였다.

둘째, 연구자들은 LoE를 이용하여 수려한 은봉선충(C. elegans는)의 형태학적 표징 연구.말단 실행기 어레이는 서로 다른 말단 유닛 위치에서 안정적이고 일관된 시간 연속 흐름을 생성할 수 있으며, 선충과 같은 큰 길이가 목표보다 안정적으로 회전하고 수송할 수 있도록 보장한다.연구진은 또 선충의 국부 공초점 영상 기술을 제시했다. LoE를 통해 선충의 위치와 자세를 조정하고 서로 다른 각도에서 선충의 서로 다른 부위를 고정밀도로 영상화함으로써 층석 형광 정보가 서로 다른 평면 형광 신호가 중첩되는 방해를 받지 않도록 한다(그림 4).

셋째, 연구자들은 액체 조작에서 LoE의 장점을 확인했습니다.다른 개방형 마이크로 유체 플랫폼과 마찬가지로 LoE는 소수 표면 또는 기름 상 매체에서 물방울을 안정적으로 캡처하고 운송할 수 있습니다 (그림 5A).다른 장비와 달리 LoE는 음류체 작용으로 미세척도 점성 유체의 혼합 및 고체 미세먼지의 용해 과정을 가속화해 저레노수 유체의 고농도 인터페이스가 확산하기 어려운 문제를 효과적으로 해결할 수 있다 (그림 5B-5C).연구진은 또한 LoE가 화학 반응을 촉진하는 실험 장면을 설계했다. 특히 전통적인 LoC 칩이 처리하기 어려운 침전이나 가스 생성을 함유한 화학 반응에서 LoE는 뚜렷한 우위를 보였다 (그림 5D).사전 프로그래밍 설정을 통해 LoE는 또한 미세 유체의"서열화 처리"능력을 시뮬레이션하여 여러 단계의 복잡한 화학 반응을 수행합니다.

또한 연구진은 단세포 및 다세포 조작에서 LoE의 능력을 검증했다.연구는 생명과학 분야의 고전적인 HeLa 세포계를 선정하여 단세포에 대한 포획, 이송, 회전 등의 조종 능력을 먼저 실증하였다 (그림 6A).또한 LoE는 HeLa 세포의 집합 덩어리 (그림 6B) 를 구현하고 세포 전염 및 약물 배달 등의 기능을 갖춘 고전통량 조종 도구로도 사용할 수 있다 (그림 6C-6D).

요약: LoE는"개방적이고 조작하기 쉬운"과"연속 흐름 다단계 처리"의 양립을 실현했다. 개방형 장치는 유연하고 편리하며 원가가 저렴하고 손이 빠른 특징을 갖추고 있을 뿐만 아니라 칩 실험실처럼 복잡한 실험을 완성할 수 있다.이 장치는 전문적인 조작 기능이 필요 없이 일반 실험실에 적용되며, 미세 흐름 제어 기술이 화학 합성, 생물 연구, 보조 생식 등 분야에서의 보급을 추진하고, 관련 과학 연구에 고효율 실용적인 도구를 제공하며, 관련 분야에서 연구 돌파를 이룰 수 있도록 도울 수 있을 것이다.