光控活性物质编程实现微米级流体动态调控新范式

研究人员针对传统微流控技术难以动态调控微米级流体的问题，开发了基于光控生物活性物质（K401-iLID/kinesin-microtubule系统）的编程策略。通过限制收缩性马达-微管网络间的流体相互作用，实现了粒子输运、细胞分离和低雷诺数混合等微流控功能，为活细胞操作和微流变学研究提供了新工具。

　　

在微米尺度精确控制流体运动是现代生物技术和医疗诊断的基础，但传统微流控技术面临根本性挑战：宏观泵产生的能量需通过固定通道结构传递，导致系统无法动态重构，且微小几何缺陷就会引发流动不稳定。相比之下，生命细胞通过消耗ATP的马达蛋白（如kinesin）与细胞骨架（如microtubule）的相互作用，能在分子尺度产生力场，实现精确的胞内物质运输和环境响应。这种被称为"活性物质（active matter）"的系统若能人工操控，将突破现有微流控技术的局限。

加州理工学院的研究团队在《Nature Materials》发表的研究中，开发出基于光控生物活性物质的微流控编程语言。他们利用工程化的光敏kinesin马达（K401-iLID/micro）与微管组成的动态系统，通过空间隔离的光图案控制局部流场，实现了可编程的粒子输运、细胞分离和微混合功能。关键技术包括：光诱导马达蛋白二聚化系统构建、多相流体力学的连续介质模型建立、基于粒子图像测速（PIV）的流场表征，以及人类原代细胞（Jurkat/Raji）的活/死染色实验验证。

【Flow programming through linear superposition of light bars】研究发现，当矩形光条间距超过临界值w_c≈w/2（w为光条长度）时，各活性网络产生的流场服从线性叠加原理。理论模型揭示这种线性源于流场强度随距离呈x^-3.5的幂律衰减，使得空间隔离的网络间流体相互作用可忽略。

【Hydrodynamic interactions set superposition length scales】通过改变光条尺寸和活性应力强度（ζ=c₀γh²/12μ），建立了流场强度与临界间距的相图。实验证实当Re数较低时，5:1长宽比的光条产生四涡旋流场，其最大流速与光条长度w呈线性关系。

【Optimized transport】基于单光条流场数据，通过线性变换优化出三光条阵列，使粒子沿预设路径AB的输运效率提升300%。这种"流动拼图"策略实现了2.4μm/s的定向输运速度，且误差仅相当于实验固有波动（0.23 vs 0.31）。

【Programming flows for microrheology and cell isolation】双光条产生的拉伸流场（应变率0.0015 s^-1）成功测定了微管星体的剪切模量（1×10^-7 Pa）。在0.1 pN的流体剪切力下，实现了Jurkat细胞团的原位分离，该力值比原子力显微镜测得的细胞粘附力低两个数量级，证实系统仅适用于弱粘附细胞操作。

【Active mixing with rotating bars】旋转光条产生的四涡旋流场使荧光粒子混合效率比纯扩散提升10倍，混合范数（mix-norm）在800秒内降低22%。这种动态光图案可在指定区域产生局部混合而不干扰周边环境。

【Multi-step flow programs designed by superposition】通过时空组合编程模块，实现了细胞输运-分离同步操作（图5a-c）和粒子输运-混合序贯操作（图5d），展示了系统的多任务处理能力。

这项研究建立了活性物质系统从混沌到有序的控制范式，其核心突破在于：发现非线性活性流体中保持线性叠加的临界条件；开发出模块化光编程策略；实现生物相容的微操作平台。相比传统微流控技术，该系统无需精密通道加工和压力泵控制，能动态重构流场并精准定位作用范围。尽管目前仅适用于弱相互作用体系，但为单细胞操作、微流变学研究和自适应微器件开发提供了新思路。未来通过引入闭环控制和界面力传递设计，有望发展成真正的"片上实验室"平台。