Nature：突破性的细胞流体学技术可能会对涉及多相过程的众多领域产生深远的影响

2021年7月12日讯/生物谷BIOON/---受植物吸收和分配水和营养物的方式的启发，来自美国劳伦斯利福摩尔国家实验室（LLNL）的研究人员在一项新的研究中开发出一种突破性的方法：利用三维打印的晶格设计和毛细作用现象来输送液体和气体。相关研究结果发表在2021年7月1日的Nature期刊上，论文标题为“Cellular fluidics”。

在这项研究中，这些作者描述了能够容纳和流动液体的三维打印微架构结构，以在液体和气体之间创造广泛和可控的接触。这种有序、多孔和开孔的结构促进了单元格中表面张力驱动的毛细作用（由于粘附力和内聚力，液体在小孔中移动，类似于一棵树从土壤中汲取水分或一张纸巾吸收泄漏的液体），并使液体和气体在整个结构中传输。

这些作者说，这项突破性技术可能对涉及多相（气/液/固）过程的众多领域产生革命性和广泛的影响，包括用于将二氧化碳或甲烷转化为能源的电化学或生物反应器、先进的微流体、太阳能脱盐、空气过滤、热传导、蒸腾冷却和低或零重力环境中的流体输送。

论文第一作者、LLNL在职科学家Nikola Dudukovic说，“通过使用这种方法，我们可以设计和打印有序的多孔介质，对液体和气体在这些结构中的行为有许多程度的控制。多孔介质---如海绵、纸或织物---通常倾向于具有无序的微观结构，因此难以在分析和计算上加以描述。细胞流体学（cellular fluidics）在某种意义上允许你创建一种有序的‘海绵’，在那里，液体和气体正好在你希望它们去的地方流动。”

这些作者利用实验室多年来对三维打印、分层晶格设计的研究，以及LLNL开发的大面积投影微立体光刻（Large Area Projection Micro-stereo Lithography, LAPuSL）技术---一种基于光的打印机，可以在大范围内产生极其微小的特征---建立了各种充满流体的结构，以研究不同类型的多相传输和反应现象。

他们展示的过程包括吸收（将气态的二氧化碳捕捉到液体中）、蒸发（将液体输送到气相中）和蒸腾作用，在这里，科学家们展示了这些结构能够通过将液体蒸发到大气中来冷却自己，同时从液体储液器中补充自己，就像植物在不断从土壤中补充水分的同时释放水蒸气。

论文通讯作者、LLNL研究工程师Eric Duoss解释说，“我们当然受到了大自然的启发，但我们认识到，人类在复制大自然的所有精致的复杂性方面还远远不够。然而，这是前进道路上的一步。我们开始看到，我们可以通过对这些结构的一些局部微观属性进行编程，决定性地控制液体如何流入多孔结构---从这个角度看，这算是一种顿悟。我们发现我们不仅可以控制液体的排列和传播，我们还可以控制气体的排列和传播。当你对两者都有控制时，你可以做一些相当不可思议的事情。”

这些作者说，设计精确的气/液界面和优选传输途径，同时表现出对传输速率的控制的能力，将使科学家们能够在实验和计算上研究毛细管现象、其他流动和传输现象，并有可能改变涉及多相过程的学科（包括传统的微流体），这些学科主要用于护理点健康诊断、片上器官装置和其他应用。

论文共同作者、LLNL研究员Erika Fong说，“这是一种非常不同的微流体的思维方式，在那里我们确实有很多空气/液体界面。例如，许多微流控设备被设计用来做生物检测，但不容易被生物学家采用，这是因为他们通常使用开孔板，与封闭的微流控装置不同，可以非常容易地手动接触开孔板。我们认为这是一种可以帮助弥合传统微流控技术和开放系统之间差距的方式。”

这些作者说，细胞流体学概念可以改进目前的微流控技术，因为它允许在三维复杂的几何形状中控制流体运输，而目前的微流控系统通常是平面的和封闭的，限制了它们再现多相过程的能力。

细胞结构对流体输送的影响，图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03603-2。

论文共同作者、LLNL研究工程师Joshua R. DeOtte说，“在植物中，水和营养物通过中央脉管被输送到叶子上，促进气体转移以进行新陈代谢。在这项研究中，我们正在研究将这两种功能融合到一个系统---液体和气体的运输---中，并将其与三维空间而不是平面结构联系在一起。”

为了测试与传统微流控技术的整合，论文共同作者、LLNL工程师Hawi Gemeda领导了主动流动实验：使用注射器泵控制液体流入一种三维打印的装置，并观察流动行为。这些作者发现，可以通过控制单元格的类型、大小和密度来对优选路径进行编程，并发现他们可以通过精确的结构设计来改善主动流动条件下的液体保留。这种能力也使得他们能够在三维打印的聚合物晶格中的选择性区域上镀上导电和催化活性金属涂层。

这些作者说，除了推动微流体技术的发展，细胞流体技术还显示出在外太空的应用前景，在那里，它将允许在没有重力的情况下进行流体运输。它还可应用于气溶胶样品收集和气体过滤，这是因为它能够精确控制液相和气相之间的接触。它还可以通过纳入晶格设计来改善传热，这种设计允许结构在较长时间内保持冷却。

虽然这些作者对该技术有一个很长的计划清单，但他们的直接目标是将细胞流体学应用于将二氧化碳转化为有用产品的电化学反应器。该过程涉及添加电子、质子和催化剂，使二氧化碳发生复杂的反应。他们认为，细胞流体学可以对气态二氧化碳、液态电解质和金属催化剂之间的界面提供更大的控制，这些反应便在这些界面发生。

这些作者还在探索在生物反应器中使用细胞流体学，细菌在那里摄入气态甲烷并排泄有机副产品。细胞流体学还可能用于在生物反应器中构建极薄的壁，从而提高反应性，并使科学家们能够将更多的细菌装入生物反应器以提高性能。未来的研究计划聚焦于设计优化、流体/机械协同设计、生物威胁或高能材料的检测，甚至是工程化生物材料。

Duoss说，“这些复杂环境的问题是，我们还没有一个好的方法来创建模型系统，以促进对基础科学的理解。例如，我们还不能制造人工肺，在那里你有气体、液体和固体共同存在的复杂性。但现在我们有了一个平台，可以进行那些对建立理解非常重要的基础研究。有了这个新发现，我们将有一个难以置信的机会来应用它。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Nikola A. Dudukovic et al. Cellular fluidics. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03603-2.