新型微流体技术测量微纤维的弹性模量广泛应用于生物医学工程

香港大学的一个工程团队开发出一种新颖的微流体技术，能够大大增强材料科学和生物医学工程的应用。该创新技术利用微流体通道内的“绳索卷绕”现象，为高通量评估弹性微纤维的柔韧性提供了一种有前途的解决方案。它可以有效地测量弹性模量，而弹性模量是决定微纤维在细胞生长、DNA复制、仿生机器人的人造肌肉设计等机械性能的因素。

这些微纤维是各种高科技和医疗产品以及生物结构的关键成分，例如细胞骨架、蜘蛛丝和光纤。

该项新型微流控技术是由香港大学机械工程系的AndersonHCShum教授和YuanLiu博士与普林斯顿大学的科学家HowardA.Stone教授和JanineK.Nunes博士以及法赫德国王石油矿产大学的JackHYLo博士合作开发的。

该研究成果发表在美国科学院院刊上，题为“通过绳索卷绕对微纤维弹性模量进行高通量测量”。

新方法利用弹性模量和卷绕半径之间的定量相关性，无需手动处理样品。这样每小时可以测量3,300根纤维，这比现有方法有了显著改进，与使用典型的拉伸试验机相比，测量结果提高了千倍。

这一突破显著减少了耗时且需要大量技巧的样品装卸过程，这对于微小而脆弱的样品尤其有益，例如丝状细菌、肌动蛋白丝、DNA、碳纳米管和功能性微纤维。

沈教授表示：“我们的方法不仅简化了测试过程，而且还整合了制造和测试阶段。”

“借助在线测量功能，我们将‘微纤维制造’和‘弹性模量测量’结合在同一生产线上，现在我们可以在生产后立即测量每根纤维的弹性模量。这样，我们就可以通过实时调整工艺变量(如紫外线强度)立即识别和纠正缺陷。

沈教授补充道：“例如，为了保持模量恒定，下游卷取半径的减小会触发上游紫外线强度的增加，从而作为反馈机制来纠正生产故障。另一方面，弹性模量也可以通过紫外线强度来控制，确保产品质量始终如一。”

此外，该方法是非破坏性的，无需像传统拉伸试验那样将光纤末端粘合到固定装置上。这一特点在处理具有不均匀弹性模量的光纤时尤其有利，因为传统上需要将光纤分割成多个部分才能进行单独评估。

展望未来，研究团队对将这种方法应用于更小的纤维持乐观态度，包括亚微米直径的纤维，如DNA和肌动蛋白丝。

刘博士说：“调整微流体装置和流体动力学以适应更小的纤维存在一些技术挑战，但绝对是可行的。”

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