执行器是微流控系统精确测量和分析的基础，它们通过转换各种形式的能量实现对流体流动的精确控制。微流控装置中执行器的集成有助于系统小型化，允许在微尺度上进行复杂的流体操作。执行器是微泵、微混合器、微阀及其他流体控制元件中的重要部件，可确保对微量液体的准确处理。然而，执行器材料类型的选择在很大程度上取决于具体应用，以及微流控装置的材料组成和结构配置。执行器可以具有移动或静态组件，混合材料的使用有助于开发创新的驱动机制。鉴于可能的执行器-材料组合范围广泛，选择合适的致动策略对于优化器件性能至关重要。
据麦姆斯咨询介绍，西班牙巴斯克大学和爱尔兰都柏林圣三一学院的研究团队近期在Lab on a Chip期刊上发表了一篇题为“Present and future of smart functional materials as actuators in microfluidic devices”的综述性文章。该综述介绍了微流控执行器的最新进展，重点介绍了该领域的材料创新。研究团队探索了集成在微流控通道中的新兴执行器材料，及其制造和集成方法、激活机制以及功能应用。此外，该综述对面向未来微流控执行器开发的材料进行了全面展望。
纸张作为一种材料，凭借其固有的特性和结构多功能性，已成为微流控器件的理想平台。其天然的芯吸能力可通过毛细作用实现流体的被动传输，无需外部泵或电源。纸张主要由纤维素纤维构成，具有多孔结构，可通过化学修饰或物理图案化来调节流体流动并增强功能。此外，其成本低廉、质地轻便且形式多样，使其成为低成本、可规模化器件制造的实用选择。除了机械和化学适应性外，纸张与生物和化学分析的兼容性还推动了其在即时诊断、环境监测和生物医学研究等应用中的广泛使用。
除了纸张之外，人们还探索了其他几种具有类似特性的材料用于微流控应用，特别是那些利用毛细作用驱动流体传输的材料。硝化纤维素广泛应用于侧向流检测，它具有高孔隙率和优异的蛋白质结合能力，使其成为生物检测和诊断应用的理想选择。纺织品，包括棉花、丝绸以及尼龙等合成纤维，提供了可弯曲且多孔的基底，这些基底可以被图案化或功能化以引导流体流动。棉线已被集成到微流控装置中，作为被动流体传输的通道，它提供了一种简单且可扩展的替代传统微制造技术的方法。同样，尼龙膜具有可控的孔隙率和耐化学性，从而扩大了其在过滤和分离过程中的应用。
聚二甲基硅氧烷（PDMS）凭借其几何特性或弹性特性，在微流控领域被广泛用作被动元件，如通道或混合器。它也被用作集成泵，特别是在使用脱气PDMS的情况下。将机械阀集成到基于PDMS的微流控系统中是一种常见做法，尤其是在3D结构中，可为此制作平行的PDMS层作为气动通道。此外，可将螺钉插入PDMS中以调节压力并阻断通道内的流动。电极也可用于调节PDMS微流控系统中的流动。近年的研究进展探索了将基于PDMS的混合材料用作微流控执行器。
水凝胶执行器是一种尖端材料，能够响应外部刺激（包括温度、化学物质、pH值、光以及电场或磁场）改变自身形状或大小。这些执行器是三维聚合物网络，能够保留大量水和其他流体。智能水凝胶执行器在受到特定刺激时，其体积和形状会发生可逆和不可逆的变化。通过模拟自然运动，它们可以被设计成多种形态变化模式。这些响应刺激的形状变化促进了多种应用的发展，包括阀门、传感器和机器人技术。它们的生物相容性使其成为生物医学应用的理想选择，包括药物递送、组织工程和软机器人技术。此外，它们还可以集成到智能纺织品和可穿戴传感器中，用于健康监测。水凝胶执行器代表了材料科学领域的一项开创性进展，由于其卓越的响应性和适应性，在多个领域具有变革性潜力。
磁性材料是一类独特的材料，它们能够利用磁场中储存的势能产生机械信号。由于其对外部磁场的普遍响应，磁性材料被广泛用于精密驱动，进而在微流控领域实现了多种应用，如泵、阀门和流量控制机构。这种能力使其驱动可以在多个层面进行，从操控固体颗粒和细胞，到驱动液滴，甚至影响整个流体流的流动。磁性材料家族涵盖范围广泛，包括磁性纳米颗粒、铁磁流体、固体铁磁合金（如不锈钢）以及复合材料。磁分离技术的主要优势之一在于其简单、快速且经济高效。此外，快速且有选择性地分离特定细胞或颗粒的能力，是许多应用中的关键步骤，包括生物分析、食品生产、化学加工和医疗诊断。
磁驱动为微型泵设计带来了诸多优势，有助于实现精确、无接触且可远程控制的流体移动。同样，磁阀也得益于这种能力，为按需流量调节提供了一种可靠且无创的方法。
一类特别有前景的功能材料是液晶（LCs），由于其各向异性的粘弹性特性和长程取向有序性，吸引了越来越多的关注。作为柔软且响应性强的材料，液晶能够响应外部刺激动态调整其物理和化学性质，这使它们成为微流控执行器的理想候选材料。最新进展表明，液晶网络（LCN）执行器可由多种外部刺激驱动，如热、光、湿度和电信号，这进一步扩大了它们在微流控和软机器人系统中的应用范围。液晶弹性体（LCEs）和液晶网络（LCNs）能够被加工成各种形态，包括薄膜、纤维、整体结构和复合材料，这增强了它们无缝集成到微流控平台中的潜力。
纳米颗粒也已成为一类用途广泛的功能材料，在微流控应用中具有巨大潜力。磁性纳米颗粒已被用于驱动和操控，此外，聚合物纳米颗粒和仿生纳米颗粒具有更多功能，包括生物传感以及可控的货物递送和释放机制。这些纳米颗粒可以包裹各种载荷，如药物或生物分子，并能对特定刺激做出反应以实现靶向释放，这使其在生物医学微流控应用中极具价值。此外，金属纳米颗粒，特别是金、银和铂的纳米颗粒，因其独特的等离子体特性而被广泛研究，这些特性使其能够在光学传感平台中充当高灵敏度元件。它们与光的强烈相互作用不仅能实现精确的检测机制，还能在暴露于电磁辐射时起到高效微加热器的作用。金属纳米颗粒的加热能力可用于在微流控环境中进行局部温度调节，以驱动流体位移、增强混合、控制气泡生成或实现局部热处理，从而催生出分子生物学或机电器件开发等令人兴奋的应用。
另一个快速发展的功能材料类别是生物衍生微型马达和机器人，其直接灵感来源于细胞内的生化过程。例如，基于酶的微型马达利用生化反应来催化反应并产生运动。化学能到机械运动的可控转化为这些微型马达提供了卓越的适应性和效率。此外，完整的微生物已被研究用作生物执行器，在自推进和对环境刺激的响应方面具有独特优势。
除了寻找新型材料外，大量研究还集中在构建、聚合这些材料并将其整合到功能系统中的方法。事实证明，微米和纳米级结构化对于实现宏观尺度无法实现的功能至关重要。双光子聚合激光直写广泛应用于光子学、生物医学和微流控等领域，用于制造定制设计的微型器件。该方法具有卓越的分辨率和无与伦比的结构设计自由度，能够制造出驱动行走、抓取、游泳和药物递送等高级任务的微型执行器。这些执行器有望无缝集成到未来的微流控器件中。通过结合创新材料和先进制造技术，这些发展有望进一步提高微流控技术的多功能性。
本综述探讨了微流控执行器技术的最新进展，特别聚焦了这些系统中使用的材料。现已发现多种功能材料，包括纸张、PDMS、水凝胶、磁性材料及其复合材料，所有这些材料目前都在微流控装置中得到了应用。文章评估了每种材料在不同应用中的适用性，突显了它们在多种场景中的多功能性。此外，还讨论了这些材料的制造方法、与微流控系统的集成方式以及激活它们的刺激因素。本综述重点介绍了它们在关键微流控组件中的作用，如微泵、微混合器、微阀以及其他用于精确控制微通道内液体的重要组件。此外，还确定了几类具有变革潜力的材料，包括生物衍生微型马达和机器人、金属、聚合物和仿生纳米颗粒以及液晶。这些材料作为微流控通道内的执行器显示出巨大潜力，为该领域的创新提供了新途径。
除了探索新型材料外，业界还投入了大量精力来开发制造、聚合这些材料并将其整合到功能系统中的方法。一种值得关注的技术是激光直写，特别是通过双光子聚合，事实证明，这种技术在刺激响应材料的局部选择性聚合方面非常有效。这种方法能够制造出驱动行走、抓取、游泳和药物递送等高级任务的微执行器。通过将创新材料与先进的制造技术相结合，这些进展将增强微流控技术的多功能性，为该领域令人振奋的新应用和未来发展铺平道路。
https://doi.org/10.1039/D5LC00259A
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