3D 打印脊柱实现可编程液体形貌与微操控：突破传统局限，开拓微流控新领域

在微流控和微制造应用中，操控不同尺度的漂浮物意义重大。研究人员开展 3D 打印脊柱用于可编程液体形貌和微操控的研究，通过控制脊柱参数实现多种液体形貌，能精准操控漂浮粒子，为相关领域提供了新平台。

　　在微观和介观尺度下，对漂浮物体（无论是固体还是液体）的精准操控，在微流控和微制造等众多领域都有着举足轻重的地位。比如在生物医学领域的细胞分选、药物输送，以及材料科学中的微纳材料组装等方面，都依赖于对微小物体的精确控制。然而，传统的利用毛细管弯月面来操控漂浮粒子的方法存在诸多限制。毛细管弯月面的形状和大小往往由所涉及的流体和物体的属性决定，难以实现灵活、精准的调控，极大地限制了相关技术的进一步发展。为了突破这些困境，来自比利时列日大学（University of Liège）1GRASP 研究所和美国布朗大学（Brown University）Harris 实验室的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员运用了多种关键技术方法来开展此项研究。首先是设计与 3D 打印技术，通过 Mathematica 脚本设计具有特定特征和排列方式的脊柱，并利用 PolyJet 3D 打印机打印出约 60 种不同的装置。其次是实验测量技术，借助光学手段和图像分析来确定液体高度以及跟踪固体粒子的运动轨迹。此外，还运用数值求解技术，通过改编代码在 COMSOL 5.3a 中求解 Young-Laplace 方程，模拟液体界面形状 。

下面来看看具体的研究结果：

• 单根脊柱：研究人员以穿过水 - 空气界面的锥形脊柱为研究对象。脊柱的几何特征包括底部半径R和高度H，其周围会形成弯月面。弯月面的形状z(x,y)由表面张力产生的表面超压与界面变形引起的静水压力差相匹配这一条件决定，在小界面斜率假设下，该条件可用线性化的 Laplace-Young 方程ρgz=γ?2z描述 ，并由此定义了毛细管长度λ=ρgγ。对于锥形脊柱，假设特征高度Q=(R?(h+h0)tanα)cos(θ+α) ，这表明单根脊柱周围弯月面的水平延伸受毛细管长度λ限制。
• 规则排列的脊柱：为突破上述限制，研究人员考虑采用相同锥形脊柱阵列。当脊柱间距a≤λ时，相邻脊柱产生的弯月面会叠加。研究人员利用线性叠加近似（LSA）来描述界面行为，假设总界面是每个脊柱周围单个弯月面的线性叠加。实验测量、数值模拟与理论模型结果对比显示，在a>4(R?(h+h0)tanα)条件下，LSA 近似有效，且能很好地描述液体高度变化。超出 LSA 限制时，液体近乎平坦，可用简单力平衡模型描述平均液体高度，但该模型无法捕捉脊柱间的山谷和晶格边缘的特定变形 。
• 特定液体形貌：研究发现液体高度受锥形脊柱阵列的几何特征（如a、R和α）控制。通过调整这些参数，可实现多种基本液体形貌，如倾斜界面、正弦波和抛物线形界面等。还能通过求解逆问题，根据所需液体高度计算相应的脊柱和晶格参数，从而创建任意复杂的液体形貌，例如根据比利时原子球塔的灰度图像设计脊柱阵列，实现其三维液体形貌再现。
• 弯月面诱导的微操控：特定排列的脊柱所形成的各种弯月面为微操控提供了可能。当粒子漂浮在倾斜表面（由脊柱等引起）时，会产生沿表面的净运动。研究人员通过实验成功实现了重亚毫米颗粒在不同液体形貌上的单向和多向运输，如在倾斜界面上颗粒会沿坡度运动，在复杂形貌中颗粒会按特定路径运动。此外，通过在脊柱上引入结构子特征，可实现随时间变化的操控，为精确物体运输等应用提供了可能 。

在研究结论与讨论部分，该研究创新地利用 3D 打印的锥形脊柱阵列精确操控液体表面，突破了传统单柱系统的限制，实现了在比毛细管长度大得多的尺度上创建定制液体景观。通过可编程液体界面，能够对漂浮粒子进行精确操控，包括定向运输、基于尺寸的分选和在预定位置的受控捕获等。同时，引入脊柱结构子特征实现了时间相关的操控。这种方法的多功能性和可扩展性为实际应用开辟了广阔前景，如粒子分选、微操控以及清洁液体界面上的微观碎片或油滴等。未来研究可探索使用自适应磁性材料、磁弹性材料、形状变化材料或机械系统对脊柱进行动态驱动，以实现对液体表面曲率的实时控制，进一步提升该方法在创新微流控技术和毛细管驱动系统中的潜力 。这项研究为微流控和微制造领域的发展提供了新的思路和方法，有望推动相关技术取得更大的突破 。