芥子納須彌 — 微流控技術的重大意義 與岑浩璋教授談研究與科創
  • 2023-08-23 16:34

「我覺得很多生活方面的細節,如果大家願意去思考怎樣利用科技改善生活質量,那麼這就不是科學家、或者做科創的人的專利,而是每個人都可以稍加思索科技會不會滿足我的訴求,會不會令我的生活更加有質量。」

— 香港青年科學院院長香港大學協理副校長(研究及創新) 岑浩璋教授

莫小看了這微小液滴,當中帶有科學家的全盤心力,即使比芥子更小,也因科學家襟懷世界的美善意願,對世界產生日益增加的良性影響。岑浩璋教授研究微流控技術多年,在液滴微流控範疇中有超卓成果。即使液滴容量小如納升、皮升、飛升,以新一代微流控科技進行微環境與管道控制,製作低成本精準醫學技術與儀器,將其跨學科應用於生物、化學、醫學、流體、電子材料、機械、工程等領域上,正是岑教授每日持續攻堅的工作。

實現「全水相微流控」— 生物細胞相容
岑教授主要從事全水相微流控的研究,即是研究能溶於水的素材。受地心引力影響,我們印象中的水滴是尖頂橢圓底的形狀,且不同液態水相材料在自然環境中容易混和。但在岑教授所研究的微流控世界中,重力和慣性不再起主導作用,改由表面張力、能量耗散及流體阻力主導流體行為。他研究物理工程技術,在比髮絲更細的管道中控制液體的流動,其難處在於愈小的管道中,液滴愈容易附著於液體和管道上,因此如何精密控制不同性質、更小的液滴按指定規律通過更窄的管道是重要課題。

岑浩璋教授。(圖片來源:受訪者供圖)

這項技術轉化應用於現實,能通過對液體的控制,將其轉化為固態,從而生產很多新的材料。由於大小均勻的液滴被固化後,會形成圓球狀,通過生成一個個液滴並置放藥物、養分、顏料等指定物料,就可以應用于化妝品、食品或生物醫學範疇等各方面。


這些只有幾公分的微流控裝置,每一個都是縮小了的實驗室,不同的管道設計控制液水滴高速流動,不同物理性質的液滴交互作用,蘊藏著無數應用的可能性。(圖片來源:香港電台影片截圖)

又比如製作存放容生物相容樣本的容器,用於檢測分析。或者將不同的液滴排列在一起做藥物的傳輸,做一些多孔的材料等等。配合生物細胞兼容性強的特殊材料,岑教授及其團隊近期發表成果,成功設計及製作感光膠片材料,在有光和無光時產生自動化的化學反應,讓膠片物料能夠吸收光或者反射光。

岑教授的研究液滴控制技術研究不單只生產一顆簡單的液滴,亦可以進行多重調控,利用水和油的密度與化學性質不同,在重力沉降原理或者其他物化反應下,可以達成油份和水份的分離。岑教授以水油特性為例,譬如可以使得最中間那層是水,外膜是一層很薄的油,再外包再一層的水,然後再包裹一層油,如此類推。在這個基礎上,岑教授另一個重要突破,是用兩種水相液體溶劑做出液滴不互溶的效果,實現到以往科學界普遍「水—油」材料與介面所做不到的研究,可以避免藥物或蛋白質在接觸到油分子後產生功能喪失的問題。近二十年來,科學界對于細胞組成部份的認識日深,發現細胞裏面除了有膜的細胞器,還有很多是無膜的細胞器,這其實就是一個生物液滴。


在微流控技術的控制下,可實現複雜的液滴結構,如圖示的「水包油包水」。(圖片來源:香港電台影片截圖)

由於細胞內部主要成分是水份,細胞器就是由水和水之間不同的液滴構成。然而,此範疇中的科研學者很大程度上是從純物理或者生物、細胞生物學的角度出發,較少人用仿細胞生物學的系統去發掘、探討用「水—油」系統中不會見到的現象。岑教授希望提出微流控「水—水」系統的構想,聯想細胞存在同樣的現象,模擬這些無膜的細胞器的運作,觀察不同情况對無膜細胞器的物理影響,是科學界嶄新的嘗試。

有趣的是,微流控和食品之間同樣可以聯繫到一起。最近岑教授的團隊發表了一篇文章,這是從一個液滴的想法開始,怎麼去將一個有用的養分放在液滴裏面,包住這些養分放在食物中,或者在食物中加入非原有的一些養分,甚至怎樣保存得久一點。比如之前就已有的人工肉(Artificial meat)。

微流控技術可令人工肉更像真肉,而且含更豐富養份。(圖片來源:Freepik網頁)

岑教授解釋,人進食時所感覺到的食品質感來自於「質地」(物體的結構、本質),人工肉的每一個不同的組成部分,包括大小和成份排列,因為還原了物質的特性,令其很像真肉,如果將人工肉與真肉並排,可能受試者也吃不出哪一塊是真肉。「可以將一塊肉,分析透徹它的材料、大小、排列;我們用微流控技術生產一些球,將他們排列成和真肉一樣的,球裏面放入一些不同的養分材料,你吃上去好像是塊肉,但是裏面可能有比肉有更豐富的養分,或者沒有那些吃肉帶來的壞處,這就是未來的一個方向。」岑教授希望日後能做到類似於打印食材一樣,分析肉類蛋白大小不同的分布並加以利用,去生產一些之前依靠單一的組成部分做不到的物質。

「每個人都能擁有顯微鏡」:科學技術普及化的重要性
微流控的技術應用前景可期,但要將其產業化、工業化,當中仍然需要面對不少研發的難點。岑教授舉出一個比喻:「如果研究顯微鏡,但沒有能力生產顯微鏡的話,(那麼顯微鏡)永遠也不會普及。常用的人買不到,我們也要思考怎麼讓那些不是研究顯微鏡的人,也可以擁有顯微鏡,讓他們都能用上、知道怎麼用,或者能用顯微鏡得到他們想要的結果。」

岑教授和學生。(圖片來源:受訪者供圖)

岑教授認為微流控裝置也同此理,引伸討論整個香港的科創與科研氛圍,他觀察到傳統學者與研究小組偏好以全新科學發現去發表論文,對於已被發現的現象之延伸研究及科學價值,相對較難吸引學者參與研究。「我有時都會和學生談你是否是有興趣做研究。你不一定要整天去想是不是這些研究的成果好不好,或者是否和預期很接近,因為如果你整天都能有很好的實驗結果,有很好的論文,拿到很多的獎或者得到很多的肯定的話,那麼不一定是喜歡研究。但是如果你在一個實驗裏面要經歷很多失敗,很多嘗試,學習,再嘗試,你都依然享受那個過程的話,那可能你是真的喜歡做研究。 

事實上,在岑教授眼中,對已有科學現象的重新探索,或是新的科學探知,其實同等重要。唯有全面提升整個香港的科普成效,日後才會有更多好的學生、好的研究員投身其中,而且還要為他們端正思路——科學工作者除了產出優秀學術論文外,更加要參與推動科學普及化和成果轉化。

岑教授提出一條思路:「比如檢測功能很好的(儀器),或者長期要檢測少量的樣本,例如口水、汗液等,就可以(為家人)檢測疾病,但是一般家庭不會買一個泵、買一個顯微鏡、買個微流控裝置,然後連在一起長放家中。普及化過程中,我們怎樣將泵、顯微鏡結合在微流控裝置中,把它弄成一個簡單如智能電話一樣的應用設備,打包去賣給賣家,讓他們用得很方便,這是很必須但很少研究人員思考的事情。」

香港未來科創之路:各行業都要有科創元素
物理學者熱衷于觀測與分析物質與能量的現象,探尋當中的物理運動模式,最終使人類師于自然,讓人類順勢而行,在可持續發展中樂活。芸芸眾多的科學研學者中,岑教授除了專注于專業科學研究以外,亦耗費大量精力進行全民科普教育工作。「當我們成功建設國際科創中心,在街上隨便找一個市民,他們對基礎科學知識的掌握都會比其他非國際科創中心的人要多,他們可能都會想『我現在的生活可以過得更好,我現在做的事情可以做得更有智慧』這樣,到時我們真的可以算作成功,也很難會有不成功的科創企業,因為一個完全和科創『不相關』的企業的員工,都會想著怎樣用科技讓我的工作更順利。」

岑教授以香港青年科學院院長的身分到中學演講,分享他如何從中學開始做研究,最後成為大學教授的歷程。(圖片來源:香港電台影片截圖)

在科創烏托邦來臨之前,現下香港科創仍有一條長路要走。「現在的分法是將『科創』獨立拆分為一個行業,和法律、工程等一樣,我覺得這未必是最優的。因為我覺得科創牽涉很多範疇內容:在大學裡做基礎研究已經是科創的一個環節;專業的知識(產權)方面和法律相關的又是另一個環節;科創相關的一些活動舉辦比如搶人才、宣傳、籌辦基金等舉辦的也和科創相關;那去到前線做商業計劃、市場分析方面的商業相關專科也和科創相關;還有傳媒相關的。」岑教授一路介紹科創所需要的專門知識門類,「和人力資源相關的,請人、政府政策研究、入境政策等等都是和科創相關。這不是一個行業,而是一個生態,是一個新的啟動點,牽涉到很多。」他指出,按當前政府的政策局職能配對說的話,這不僅是和創新工業及科技局相關,還有商經、教育甚至律政司等等不同的角色,科創牽涉到的是很多不同的政策部門。「我認為,全民科創這個氛圍可以推動到做什麼行業都能投身到科創中,而不是說會有『我是做餐飲的』、『我是做律師的,你是做科創的,我們八竿子打不著』這樣。香港要用科創去突破,會不會有一天每日的報紙上面會有一兩個版是專門講科創相關的呢?」想到一些國際科創中心比如劍橋、波士頓、蘇黎世、北京上海等,每個地方都是有一些科創相關的出版商,出版一些學術期刊、科創雜誌等等,他反思香港是否能夠這樣,讓各行各業受科創引領潮流。

(訪問刊於京港學術交流季刊第136期

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