Advanced Materials | 仿生纳米级全液态通道

细胞之间/细胞内存在大量微/纳米级流体通道，维持着本质的质量传递过程，确保生物体的正常运作。然而，由于普拉托-雷利不稳定性固有，人工构建和模拟此类全液态通道仍是艰巨挑战。在这里，我们介绍了一种新的“准静态拉伸”方法，应用于另一种不可混溶液体中的液体桥，液体/液体界面由界面纳米颗粒-聚合物共构件控。这些协组件具有可重构、可调干扰网络的特性，使得在液桥尺寸下逐步拉伸通道。我们建立了一个选择规则，涵盖在拉伸过程中产生超细液体通道的成分输入。纳米颗粒-聚合物微结构中聚合物链的优越柔韧性和适度的纠缠或交联，使液桥具备塑性变形能力，使通道可向前推进至百纳米，采用先进技术缩小两个数量级，接近仿生桥的尺寸范围。此外，通过控制通道中质量转移的流量，实现了生物体管状类似物——液桥基通道，验证了仿生功能——细胞间线粒体救援和分隔免疫疗法。这些模拟可能为生物物理学上理解由管状结构介导的细胞过程提供潜在框架。该研究以题为“BiomimeticNanometer-SizeAll-LiquidChannels”表在Advanced Materials上。图1.

超细全液态通道的形成。(a) 由于初级破裂不稳定性(PRI)导致液体丝状体破裂成液滴的示意图，包括经过一个"中间"态的过程。(b) 在环向应力（此处为界面张力）作用下不断颈缩的液体连接颈的示意图。(c) 光学显微照片显示了在纯甲苯中浸泡的含水液桥在针头回缩破裂前的典型形貌。(d) 光学显微照片显示了构建液桥的初始步骤。将一个2.5 µL含有0.1 mg mL⁻¹ {Mo72V30}和8 mm RbCl的水滴附着在比色皿底部，将另一个含有相同组分的2.5 µL水滴悬挂在针头上。将它们浸入0.01 mm胺基聚二甲基硅氧烷(PDMS─NH₂)的甲苯溶液中。向下移动针头使两个水滴合并，然后向上拉伸形成一个初始液桥。(e) 光学显微照片显示了通过在(d)中的初始液桥进行"准静态拉伸"，并经过界面工程（微观结构机制如(f)所示）形成的超细全液态通道。(f) "准静态拉伸"方法中，纳米颗粒-聚合物组装网络在压实堵塞态与非压实堵塞态之间反复进行的界面微观结构演化示意图。

图2.

“准静态拉伸”过程中液桥的演变。(a) 不同水/油体系的界面张力随时间变化，包括水/甲苯、{Mo72V30}水溶液/甲苯、水/PDMS─NH₂甲苯溶液以及{Mo72V30}水溶液/PDMS─NH₂甲苯溶液。各组分浓度为：[{Mo72V30}] = 0.1 mg mL⁻¹；[PDMS─NH₂] = 0.01 mm。(b) 快照显示一个悬垂水滴在注入甲苯溶液100秒后的自起皱行为。水相含有0.1 mg mL⁻¹ {Mo72V30}和8 mm RbCl，甲苯溶液含有0.01 mm PDMS─NH₂。(c) 浸入纯甲苯中和(d)浸入0.01 mm PDMS─NH₂甲苯溶液中的含水液桥（含有0.1 mg mL⁻¹ {Mo72V30}和8 mm RbCl）的轮廓图，展示了在“准静态拉伸”过程中的界面演化。使用平面界面切线延长线之间的夹角θ来定量描述界面演化。(e) 中总结了其值随液桥颈（即液态通道）半径(r)变化的函数关系，其中橙色和紫色圆点分别来自(c)和(d)。插图为数据的线性表示。(f) 在“准静态拉伸”过程中，这两个液桥（(c)和(d)中）以及一个液桥（纯水/甲苯体系）的电阻(φ)随r变化的函数关系。(g) 光学显微照片显示了(f)中红点数据对应的液桥，其r小于1 µm。图3.

液桥弹性拉伸过程中聚合物配体的选择规则。(a) 四种具有不同化学结构的聚合物配体示意图，包括单胺基封端聚二甲基硅氧烷（PDMS─NH₂，数均分子量 Mn = 1,000 g mol⁻¹）、二胺基封端聚二甲基硅氧烷（PDMS─2NH₂，Mn = 3,000 g mol⁻¹）、五个胺基随机悬挂的聚二甲基硅氧烷（PDMS─5NH₂，Mn = 8,000 g mol⁻¹）以及聚苯乙烯-b-聚(2-乙烯基吡啶)（PS-b-P2VP，Mn = 16,500 g mol⁻¹）。(b) 示意图显示了在油水界面处，使用不同聚合物配体形成的纳米颗粒-聚合物组装体的微观结构。(c) 光学显微照片显示了在“准静态拉伸”过程中，液桥破裂前的形貌。这些含水液桥（置于甲苯中）的界面由不同聚合物配体形成的纳米颗粒-聚合物组装体所调控，其中含水液桥含有 0.1 mg mL⁻¹ {Mo₇₂V₃₀} 和 8 mm RbCl，甲苯溶液则含有这些纳米颗粒-聚合物组装体。这些组装体表现出多重松弛行为，其储能模量（E′）随频率增加而持续降低。

参考文献：