蜂鸟启发的弹性毛细序贯流体捕获技术：面向即时诊断的微流控器件创新

研究人员受蜂鸟舌部弹性毛细现象启发，开发出具有垂直沟槽的弹性薄片器件，通过两步序贯毛细上升实现快速液体捕获与分配。该器件在Λ<1时发生结构闭合，捕获体积较刚性结构提升(1+(w+d)/2h)倍，解决了微流控诊断中高表面体积比与低流阻的矛盾，为即时检测(POCT)提供了新型被动式流体操控方案。

　　

在医疗诊断和工业应用中，如何在微尺度实现高效被动的流体捕获与传输始终是重大挑战。传统即时诊断(POCT)设备需要依次完成生物流体捕获、等分、试剂反应和结果读取等步骤，但高表面体积比带来的高流阻会显著降低流速，形成难以调和的物理矛盾。自然界中，蜂鸟进化出了令人惊叹的流体捕获机制——其舌部由两条可弯曲的薄片构成开放沟槽，在吸取花蜜时能被动闭合形成管状结构，既保证了快速摄食又实现了高效液体捕获。这种精巧的生物结构为人工流体操控系统提供了绝佳灵感。

法国索邦大学等机构的研究团队通过仿生设计，开发出由垂直沟槽堆叠在弹性薄片上构成的层级结构器件。该器件能模拟蜂鸟舌头的弹性毛细变形机制，在Λ=8Bd²/(27γh³?_c²[1+2d/h+0.556(d/h)²])<1时发生整体管状闭合，实现两步序贯流体捕获：初始毛细上升(?_I)引发沟槽闭合，继而产生管芯二次毛细上升(?_II)。研究通过理论建模和实验验证，揭示了稀缺和富足液体条件下的不同捕获机制，相关成果发表在《Nature Communications》上。

关键技术包括：铂催化硅橡胶(Ecoflex 00-50)器件的3D打印模具制备与旋涂成型；等离子体处理实现表面亲水改性；高速摄像(100-120 fps)记录毛细上升动力学；MATLAB数值模拟耦合流体-结构相互作用方程。实验使用不同粘度硅油(V10-V1000)作为润湿液体，通过牵引装置(ZwickiLine)控制浸入速度。

【条件对沟槽闭合的影响】研究发现器件存在三种变形状态：保持开放(Λ?1)、部分弯曲(Λ≈1)和完全闭合(Λ<1)。当Λ<1时，首次毛细上升高度?_I^∞,closed达到开放状态(?_I^∞,open=2?_c²/d)的(2+d/h)倍，管芯二次上升达到经典Jurin高度?_II^∞=2?_c²/R_int。通过血清白蛋白处理可实现器件长效亲水性，成功捕获血液样本。

【流体-结构相互作用的动力学】建立包含液压阻力G(β,d)的非线性方程组，数值解与实验高度吻合。闭合时间t_closure随Λ增大而发散，在μV/(ρgR_int²)?1时柔性结构捕获量显著优于刚性结构。粘度测量实验证实闭合时间与液体粘度呈线性关系，可作为简易粘度探针。

【全浸没状态下的流体捕获】对比实验显示，在快速浸没(μV/(ρgR_int²)?1)条件下，柔性结构的捕获效率比刚性封闭结构提高1+(w+d)/2h倍。蜂鸟捕食参数估算(Λ≈10^-2)证实其处于最优捕获区间。

【面向一体化流体检测的概念验证】通过沟槽功能化实现了液体等分与并行检测：拉伸器件使沟槽暂时扩大便于试剂装载，乙醇接触后染料快速释放，吸收基底实现反应读取。这种设计仅需微量样本即可完成检测，较传统血清卡(Serafol? ABO+D)所需样本量减少三分之二。

该研究通过仿生设计实现了被动式微流控的重要突破：弹性毛细变形使初始开放结构兼具低流阻优势，闭合状态提供高表面体积比检测环境。器件的层级结构创新性地将局部毛细驱动(沟槽尺度)与整体变形解耦，突破了传统毛细管长度限制。通过表面处理可适配水性样品，功能化沟槽能整合检测全流程，为发展中国家POCT设备开发提供了新思路。未来可通过优化沟槽几何构型或采用柔性侧壁进一步拓展性能，在血液诊断等领域具有广阔应用前景。