Nature:细胞流体学及其应用前景

本文讨论了自然界中普遍存在的多孔介质和毛细流动现象，提细胞流体学的概念，即一个基于单位细胞的三维结构平台，用于多相流动、运输和反应过程的确定性控制，并展望了其广阔的应用前景。

自然界中有很多通过进化优化的多相传输和反应过程的例子，这些现象发生在多个长度和时间尺度上，通常包括多孔介质中的气-液-固界面和毛细现象。多孔介质和毛细流动在自然界中无处不在，对生物和生命系统的功能至关重要，其中植物是最典型的例子。

植物根部包裹在土壤中，土壤是一种多孔介质，其中地下水从潮湿区域分布到干燥区域。土壤中的颗粒堆积和液固界面影响养分溶解到周围液相中。通过植物根部吸收的水和养分沿着木质部组织运输到植物的叶子。叶子含有称为气孔的孔，可促进气体和液体与周围环境的交换。蒸腾过程由叶子中的水蒸发驱动，为水的连续毛细管传输创造了潜在的梯度。此外，用于光合作用的二氧化碳吸收和氧气分解吸发生在叶片界面上。

细胞流体学：一个受自然启发的、基于单元的平台

天然存在的多孔介质非常丰富，范围从有机物到无机物——例如，土壤、岩石、海绵、木材、骨骼、肺和肾脏。它们的合成对应物在商业和技术上都很重要，而且种类数量众多，例如，纸张和吸收剂、编织和无纺材料、陶瓷和混凝土、过滤器和分离介质，以及组织支架和人造器官。然而，由于建模、材料和制造方法的限制，自然的复杂性和功能性，尤其是在流动、运输和反应方面，仍然是无与伦比的。迄今为止，对流体过程的控制一直是这个新兴领域的一个未充分探索的领域，开孔结构材料在控制多相传输和气-液-固界面方面的全部潜力尚未实现。

Nikola A. Dudukovic等人提出了一个称为细胞流体学的概念，这是一个基于单位细胞的三维结构平台，用于多相流动、运输和反应过程的确定性控制。他们证明了这些结构中的流动可以通过细胞类型、大小和相对密度的架构设计进行“编程”。通过结构化细胞材料的设计和制造，加上多相界面稳态和动态行为的分析和数值预测，可以提供三个维度的流体传输的确定性控制。这项研究将细胞流体技术视为传统（微）流体技术的补充平台，可以很容易地扩展到广泛的应用领域。


为了了解多细胞结构中的流动，研究人员模拟了一个由五个堆叠的 BCC 单位细胞组成的列中的液体进程。前进气液界面的形状和演变是复杂的，具有动态形成的凹凸特征。填充单个晶胞的总时间随着液体沿柱向上移动而增加，因为受重力影响的液体体积增加，最终在达到力平衡时停止。

用于连续流动和选择性图案化的优先流体路径。

尽管基于毛细管流动或静态液体封闭有多种可能的用途，但细胞流体学的广泛潜力是通过实施主动驱动的连续流动来实现的。研究人员通过控制细胞的类型、大小和相对密度，可以将流体流动的优先路径编程到架构中。

建立在用于规定液体和气体输送的基于细胞的平台上，复杂的细胞流体配置由新兴的3D 打印技术实现，这些技术可以在宏观区域和体积上快速图案化微米和纳米级特征，并可实现可扩展的、批量的生产。这种新型材料具有许多可能的设计自由度：它可以是单细胞或多细胞、1D 到 3D、同质或异质结构等，细胞流体学的应用领域同样广泛，包括吸收、蒸腾、混合、提取、沉积和反应等功能。将分析建模和数值模拟与实验演示相结合，揭示了 3D 中的流体传输，并将解锁以前无法获得的结构、机械、化学、热和其他功能特性的组合。因此，细胞流体学可能为多相现象开辟了一个广阔的新设计前沿。对于细胞流体学来说，应用范围有着无限的想象空间。设想一个重要的用例是在空间中控制液体的输送，其中低重力和零重力条件允许表面张力驱动的流动以更大的孔径和更长的长度尺度发生，从而实现诸如液体处理、燃料和氧化剂分配，以及诊断设备操作。（生物谷 bioon）

参考文献：Cellular fluidics. Nature. 2021 Jul;595(7865):58-65. doi: 10.1038/s41586-021-03603-2.