Nature：突破性的细胞流体学技术能够会发生深远的影响

2021年7月12日讯/BIOON/---受动物排汇和分派水和养分物的方式的启迪，来自美国劳伦斯利福摩尔国度试验室（LLNL）的研讨职员在一项新的研讨中开辟出一种突破性的办法：应用三维打印的晶格设计和毛细作用征象来保送液体和蔼体。相关研讨成果颁发在2021年7月1日的Nature期刊上，论文题目为“Cellular fluidics”。

在这项研讨中，这些作者描写了可能包容和流动液体的三维打印微架构构造，以在液体和蔼体之间发明普遍和可控的打仗。这种有序、多孔和开孔的构造匆匆进了单位格中外表张力驱动的毛细作用（因为粘附力和内聚力，液体在小孔中挪动，相似于一棵树从泥土中吸取水分或一张纸巾排汇透露的液体），并使液体和蔼体在整个构造中传输。

这些作者说，这项突破性技术能够对波及多相（气/液/固）进程的泛滥畛域发生反动性和普遍的影响，包含用于将二氧化碳或甲烷转化为动力的电化学或生物反馈器、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情况中的流体保送。

论文第一作者、LLNL退职迷信家Nikola Dudukovic说，“通过使用这种办法，咱们可以设计和打印有序的多孔介质，对液体和蔼体在这些构造中的行动有许多水平的节制。多孔介质---如海绵、纸或织物---通常倾向于具备无序的宏观构造，是以难以在阐发和盘算上加以描写。细胞流体学（cellular fluidics）在某种意义上许可你创立一种有序的‘海绵’，在那边，液体和蔼体正好在你愿望它们去的处所流动。”

这些作者应用试验室多年来对三维打印、分层晶格设计的研讨，以及LLNL开辟的年夜面积投影微平面光刻（Large Area Projection Micro-stereo Lithography, LAPuSL）技术---一种基于光的打印机，可以在年夜范畴内发生极其巨大的特征---树立了各类充斥流体的构造，以研讨分歧类型的多相传输和反馈征象。

他们展现的进程包含排汇（将气态的二氧化碳捕获到液体中）、蒸发（将液体保送到气相中）和蒸腾作用，在这里，迷信家们展现了这些构造可能通过将液体蒸发到年夜气中来冷却本人，同时从液体储液器中弥补本人，就像动物在不时从泥土中弥补水分的同时开释水蒸气。

论文通信作者、LLNL研讨工程师Eric Duoss解释说，“咱们当然遭到了年夜自然的启迪，但咱们意识到，人类在复制年夜自然的一切粗劣的简单性方面还远远不够。然而，这是行进路途上的一步。咱们开端看到，咱们可以通过对这些构造的一些局部宏观属性进行编程，决议性地节制液体若何流入多孔构造---从这个角度看，这算是一种顿悟。咱们发现咱们不仅可以节制液体的分列和传达，咱们还可以节制气体的分列和传达。当你对两者都有节制时，你可以做一些相称不行思议的事情。”

这些作者说，设计准确的气/液界面和优选传输路径，同时表示出对传输速度的节制的才能，将使迷信家们可能在试验和盘算上研讨毛细管征象、其他流动和传输征象，并有能够改动波及多相进程的学科（包含传统的微流体），这些学科次要用于照顾护士点安康、片上器官安装和其他利用。

论文独特作者、LLNL研讨员Erika Fong说，“这是一种十分分歧的微流体的思想方式，在那边咱们确切有好多空气/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取，这是由于他们通常使用开孔板，与封锁的微流控安装分歧，可以十分容易地手动打仗开孔板。咱们以为这是一种可以帮忙弥合传统微流控技术和开放体系之间差距的方式。”

这些作者说，细胞流体学观点可以改良今朝的微流控技术，由于它许可在三维简单的几何形态中节制流体运输，而今朝的微流控体系通常是立体的和封锁的，限定了它们再现多相进程的才能。

细胞构造对流体保送的影响，图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03603-2。

论文独特作者、LLNL研讨工程师Joshua R. DeOtte说，“在动物中，水和养分物通过中央脉管被保送到叶子上，匆匆进气体转移以进行推陈出新，"大众独特作者、LLNL。在这项研讨中，咱们正在研讨将这两种功效交融到一个体系---液体和蔼体的运输---中，并将其与三维空间而不是立体构造分割在一路。”

为了测试与传统微流控技术的整合，论文独特作者、LLNL工程师Hawi Gemeda引导了被动流动试验：使用打针器泵节制液体流入一种三维打印的安装，并察看流动行动。这些作者发现，可以通过节制单位格的类型、年夜小和密度来对优选途径进行编程，并发现他们可以通过准确的构造设计来改善被动流动前提下的液体保留。这种才能也使得他们可能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，除了推进微流体技术的倒退，细胞流体技术还显示出在外太空的利用前景，在那边，它将许可在没有重力的环境下进行流体运输。它还可利用于气溶胶样品搜集和蔼体过滤，这是由于它可能准确节制液相和蔼相之间的打仗。它还可以通过归入晶格设计来改善传热，这种设计许可构造在较永劫间内坚持冷却。