潤濕性和微流體技術(shù)有著千絲萬縷的聯(lián)系，基于潤濕性的微流體方法顯示出相當(dāng)大的潛力。除了微流體之外，研究人員對潤濕性研究也重新產(chǎn)生了興趣。微流控技術(shù)用于信號檢測、細胞培養(yǎng)和材料合成等多個領(lǐng)域，其主要目的是促進微小液滴在寬度約為 10 μm 的窄管內(nèi)的調(diào)節(jié)運動。由于對微米級流體力學(xué)的理解有限，微流體需要基于潤濕性設(shè)計的系統(tǒng)建模。本綜述首先對仿生表面進行評估，以全面概述潤濕性和微流體。該分析強調(diào)清晰度和邏輯結(jié)構(gòu)，重點是客觀、價值中立的語言和精確的用詞。詳細探討了荷葉表面和傳統(tǒng)潤濕性模型等值得注意的發(fā)現(xiàn)，并注意正式的套準(zhǔn)、正確的語法和一致的格式。本文回顧了目前潤濕性研究的三個主要應(yīng)用：分離油和水、收集霧水和運輸液滴。報告還分析了目前存在的挑戰(zhàn)。隨后，本文介紹了微流控的基本概念，重點介紹了層流和液滴現(xiàn)象，闡明了微流控中潤濕性的關(guān)鍵性。在此基礎(chǔ)上，該分析介紹了兩種建立基于潤濕性機制的系統(tǒng)的技術(shù)，并研究了微流體的生物應(yīng)用，證明了其值得注意的潛力，盡管它有缺點?？傊?，該分析全面總結(jié)了潤濕性與微流體之間的關(guān)系，以及未來發(fā)展的可能前景?？傊?，本文旨在通過討論微流控在兩者密切相關(guān)的背景下的設(shè)計、構(gòu)建和應(yīng)用，為潤濕性和微流控的研究做出貢獻。

1. 引言

自蓮花效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，潤濕性研究進入了一個新時代。在以往的研究中，潤濕性主要被用作評估材料性能的技術(shù)，而不是被視為一種固有特性。例如，研究人員研究了煤和電極材料的潤濕性，包括煤的潤濕性和電極材料的潤濕性。在發(fā)現(xiàn)蓮花效應(yīng)（圖1a）之后，研究人員開始研究特定的可濕性表面作為熱點，從而發(fā)現(xiàn)了微納協(xié)同蓮花效應(yīng)（圖1a）、玫瑰效應(yīng)（圖1a）、鯊魚脛（圖1b）、魚鱗（圖1b）和蜘蛛絲（圖1b）。同時，還開展了仿生界面的潤濕性研究，大大增強了對表面界面潤濕性和仿生學(xué)的認(rèn)識，包括水稻葉片（圖1a）、蝴蝶翅膀（圖1a）、仙人掌（圖1b）、水蛙（圖1a）、樹蛙（圖1b）。仿生表面通常利用微納米結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)潤濕性。這種方法的靈感來自自然界中發(fā)現(xiàn)的某些生物表面，例如荷葉表面的超疏水性和壁虎腳墊的粘合能力。這些生物表面具有特定的微納米結(jié)構(gòu)，結(jié)合表面的化學(xué)性質(zhì)，使表面具有獨特的潤濕性。此外，還啟發(fā)了材料加工和制備技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，Han等人報道了用于鐵路車廂地板的受竹啟發(fā)的可再生、輕質(zhì)和減振層壓結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合材料結(jié)合了層壓板結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿生復(fù)合界面的獨特優(yōu)勢。Zhao等人總結(jié)了光敏納米材料在無線神經(jīng)仿生學(xué)、刺激和再生方面的行為，特別是納米材料-神經(jīng)界面的光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和生物系統(tǒng)。綜上所述，生物納米技術(shù)為潤濕性研究提供了開創(chuàng)性的研究方向，引發(fā)了研究人員對超潤濕材料的興趣。

圖 1.仿生學(xué)與潤濕性之間的關(guān)系。

在此基礎(chǔ)上，江課題組提出構(gòu)建具有特殊潤濕性的二元協(xié)同納米界面材料，簡化了超潤濕材料的生產(chǎn)。超潤濕材料的有趣特性使研究人員在油水分離（圖2a）、霧收集（圖2b）和液滴操作（圖2c）方面取得了重大突破。超潤濕紡織品在日常使用中的進步，使人們能夠遇到超潤濕材料的顯著特性。由于具有超潤濕性的表面的脆弱性，最近生長速度有所放緩。對于工程表面的實際應(yīng)用，耐久性和大規(guī)模制備能力確實是必不可少的。表面的耐久性是一個重大挑戰(zhàn)，因為它們?nèi)菀资艿綑C械損傷和化學(xué)侵蝕，這可能導(dǎo)致其超疏水性能的喪失或完全破壞。因此，研究人員已經(jīng)進行了許多嘗試來解決這個問題。Wang等人提出了堅固的超疏水表面的設(shè)計。通過合成跨尺度結(jié)構(gòu)、超疏水納米結(jié)構(gòu)和堅固的微米結(jié)構(gòu)，成功完成了超疏水“裝甲”的創(chuàng)建。此外，研究人員還成功地嘗試了超疏水表面的大規(guī)模制備。Wang等人報道了一種通過激光制造超疏水的簡單過程。通過快速的激光加工可以實現(xiàn)大規(guī)模的制備，從而有助于創(chuàng)建類似于魚鱗的仿生超疏水表面。雖然研究人員目前正在探索開發(fā)具有高耐久性的超潤濕材料的方法，但鑒于現(xiàn)代使用環(huán)境日益復(fù)雜造成的廣泛損害，這似乎不太可能實現(xiàn)。由于這些考慮，研究人員似乎已經(jīng)失去了對研究潤濕性的興趣。有趣的是，微流體最近成為一項尖端技術(shù)，使研究人員能夠揭示潤濕性的迷人特性。例如，Wang等人實現(xiàn)了高通量單細胞克隆陣列和濃度梯度發(fā)生器的集成微流控平臺，可同時處理4320個單位并進行3000多個微反應(yīng)，這是常規(guī)藥物篩選無法實現(xiàn)的。圖2中超潤濕材料的呈現(xiàn)與微流控技術(shù)并不完全對應(yīng)。如何實現(xiàn)和實施微流控潤濕技術(shù)？

圖 2.超潤濕材料的應(yīng)用

本文闡述了親水-疏水模型來描述表面液滴的形貌和分布，有助于理解微流控液滴的行為和流動模式。詳細闡述了微流控的關(guān)鍵原理，特別是微流控系統(tǒng)中的奇異毛細現(xiàn)象以及層流和液滴現(xiàn)象，強調(diào)了當(dāng)前微流控中的液滴操作和系統(tǒng)設(shè)計在很大程度上依賴于以潤濕性為代表的表面過程，而不是以層流和液滴為代表的微觀流體動力學(xué)。提出了微流控的兩個系統(tǒng)模型，以說明該領(lǐng)域的演變和應(yīng)用，即開放存取和封閉存取系統(tǒng)，證實了潤濕性在微流控中的重要性。兩種模型都基于潤濕性引起的毛細管效應(yīng)，突出了潤濕性在微流體中的顯著影響，盡管它們的構(gòu)建方法不同，但它們的基本原理保持不變。最后，總結(jié)了微流控在診斷和細胞分析中的實際應(yīng)用，以期在這些領(lǐng)域取得進展。該評論表明，微流控將在未來幾年內(nèi)在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的廣泛自動化和智能化中發(fā)揮重要作用。綜上所述，本文綜述了從仿生學(xué)啟發(fā)的潤濕性到潤濕性的應(yīng)用和挑戰(zhàn)的進展，并探討了潤濕性驅(qū)動的微流控的原理和設(shè)計方法，以及其具體應(yīng)用。一些綜述強調(diào)超潤濕表面的功能或側(cè)重于展示微流體的具體應(yīng)用，但這些都不是本綜述的重點。本綜述的目的是強調(diào)超潤濕性在微流控中的關(guān)鍵作用，并鼓勵該領(lǐng)域的未來研究與微流控領(lǐng)域保持一致。

2. 潤濕性理論與微流控

2.1. 潤濕性理論

了解潤濕性理論和開發(fā)超潤濕材料的實際問題，是掌握潤濕性與微流控之間聯(lián)系的基礎(chǔ)。因此，有必要在本節(jié)中介紹潤濕性理論和超潤濕材料的實際方面，以闡明潤濕性對微流控發(fā)展的意義。

液體在表面界面處的特性稱為潤濕性。水被用作代表性液體的一個例子，它在表面上顯示出吸引力或排斥力。這種行為的狀態(tài)可以定義為親水性或疏水性，并由表面的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)決定。接觸角是液體對表面親和力的量度。當(dāng)假設(shè)水位于理想的光滑表面上并描述其接觸角時，該模型稱為楊氏模型（圖 1）。隨著仿生學(xué)的進一步研究和發(fā)展，研究人員提出了以下基于表面粗糙度和水滴接觸狀態(tài)的疏水模型。隨著仿生學(xué)的發(fā)展，研究人員提出了以下基于表面粗糙度和水滴接觸狀態(tài)的疏水模型：Wenzel狀態(tài)（圖1c），Cassie狀態(tài)（圖1c），“Lotus”狀態(tài)（圖1c），Wenzel和Cassie狀態(tài)之間的過渡狀態(tài)（圖1c）和“壁虎”狀態(tài)（圖1c）;以及以下親水模型：微尺度狀態(tài)（圖1c）、微尺度狀態(tài)微/納米尺度狀態(tài)（圖1c）和多孔狀態(tài)（圖1c）。

盡管結(jié)構(gòu)不同，但疏水和親水模型都是由精細的表面微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建的。這些精細的表面微納結(jié)構(gòu)，結(jié)合表面化學(xué)，使得超濕表面的設(shè)計和超濕材料的生產(chǎn)在實踐中變得困難。事實上，脆弱的表面微納結(jié)構(gòu)容易受到機械和化學(xué)損傷，導(dǎo)致不均勻的表面化學(xué)成分，從而破壞甚至失去潤濕性。盡管如此，目前的研究人員已經(jīng)通過自上而下和自下而上的構(gòu)造模式增加了微納米結(jié)構(gòu)的強度，以實現(xiàn)耐久性。然而，艱巨的準(zhǔn)備過程和高昂的費用使可行的應(yīng)用變得不太可能。另一方面，對表面微納結(jié)構(gòu)制備的研究極大地促進了表面加工科學(xué)的進步和完善，使微納尺度的可潤濕結(jié)構(gòu)的構(gòu)建成為可能，并導(dǎo)致了全新加工方法的創(chuàng)新。不僅如此，還采用了先進的加工技術(shù)來加工表面。Xie等人報道了一種實現(xiàn)反應(yīng)性超疏水表面的單步方法，允許通過表面光刻或表面引發(fā)的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合通過原子轉(zhuǎn)移自由基添加來化學(xué)接枝分子文庫。這些研究為微流控的構(gòu)建提供了思路。

2.2. 微流控

微流控是指使用微管操縱微小流體的系統(tǒng)，是一種新興的跨學(xué)科技術(shù)，涉及化學(xué)，流體物理，微電子學(xué)，生物醫(yī)學(xué)工程。由于小型化和集成化等特點，微流控器件通常被稱為微流控芯片，也稱為芯片實驗室分析系統(tǒng)。微流控的早期概念可以追溯到 1990 年代在硅晶片上使用光刻技術(shù)制造氣相色譜儀，后來發(fā)展成為微流控毛細管電泳儀器和微反應(yīng)器。在發(fā)展過程中，突破是基于表面加工技術(shù)的進步，而不是微尺度流體力學(xué)的進步，這為目前微流控技術(shù)以潤濕性為主奠定了基礎(chǔ)。微流控的尺度在微納級（10 μm），流量僅受幾何長度尺度的限制，以實現(xiàn)這種幾何約束的方法，這使得微流控系統(tǒng)在潤濕性和微納尺度流體動力學(xué)存在下受到毛細管作用。微流控的關(guān)鍵特征之一是具有獨特流體特性（如層流和液滴）的微尺度環(huán)境。層流現(xiàn)象與湍流相反，是指流體的層流，其流線彼此平行并與管壁平行。當(dāng)不同的流體從不同的入口進入同一個微通道時，即使它們混合在一起，它們也會形成分層的多相平行流。利用層流的這種幾何規(guī)律性，可以實現(xiàn)微通道中材料和細胞的有序排列。例如，Park等人利用層流實現(xiàn)了微流控通道中單壁碳納米管的原位沉積和圖案化（圖4a）。這種方法的沉積速率可以很高，管子的覆蓋范圍可以控制在很寬的范圍內(nèi)，并且管子的形狀（孤立的單個管或管束）可以由加工條件定義。該方法還與多種基材兼容，不需要對試管或基材進行化學(xué)修飾。另一方面，液滴現(xiàn)象是指當(dāng)流體的兩個不混溶相在微流體通道中流動時，流體的一個相在液/液界面張力和剪切力的影響下形成高度均勻的間斷流動。例如，Gao等人報道了一種使用微流體和生物表面活性劑控制液滴形狀的方法（圖4b）。他們探索了界面蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的機械特性，以闡明液滴形狀守恒現(xiàn)象背后的機制，并使液滴穩(wěn)定凝聚數(shù)月并保持非球形數(shù)小時。

圖 3.超潤濕材料的發(fā)展歷史及應(yīng)用現(xiàn)狀.                                                   圖 4.（a）層流的應(yīng)用：構(gòu)建碳管的裝置及其形貌

然而，對層流和液滴現(xiàn)象的研究進展有限。流體力學(xué)的檢驗尚未成功達到微米級。流體力學(xué)的研究尚未探索微米尺度。理論模型通常依賴于理想的假設(shè)，但這些條件很難在實驗中完全實現(xiàn)。此外，微流控實驗在小規(guī)模上進行，這可能導(dǎo)致以前微不足道的影響變得顯著。此外，實驗中使用的材料可能具有不均勻性，而理論模型通常假設(shè)材料是均勻的。此外，微流體通道表面的粗糙度和表面處理有可能影響流體行為，這在理論模型中可能沒有得到解釋。因此，對微流控特有現(xiàn)象的研究只能通過實驗驗證來完成，而不能依賴于計算預(yù)測。因此，微流控技術(shù)目前的特點是其易操作性，以及復(fù)雜的微流控裝置的制備。這代表了目前在研究微流體時潤濕性驅(qū)動的表面工程科學(xué)的缺點。盡管如此，通過全面理解微流控系統(tǒng)中的潤濕性現(xiàn)象，它有利于增強微流控技術(shù)。

簡而言之，微流體本質(zhì)上是在微米尺度上操縱通道中的液滴。在這種狀態(tài)下，液滴由潤濕性和驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)運動的能量控制。由于微納尺度的流體力學(xué)尚未得到很好的建立，因此必須根據(jù)微尺度的潤濕性理論來描述該過程。接下來的兩節(jié)描述了基于潤濕性研究的微流體系統(tǒng)中的毛細管和動態(tài)潤濕現(xiàn)象。通過這種方式，將更詳細地解釋微流體與潤濕性之間的關(guān)系，以及微觀尺度的研究現(xiàn)狀。

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