3D打印助陣《Nature》細(xì)胞流體學(xué)研究

導(dǎo)讀：美國Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室研究人員在《Nature》雜志上發(fā)布論文，利用3D打印技術(shù)建立細(xì)胞流體模型，模擬多項(xiàng)流動、運(yùn)輸和反應(yīng)過程。

△細(xì)胞流體學(xué)：一個受自然啟發(fā)的、基于單位細(xì)胞的平臺。a, 植物水分輸送是一個多步驟過程，涉及多孔介質(zhì)（水分在土壤中的分布）、毛細(xì)管流動（從根部到葉片的輸送）和氣液輸送（葉片中的蒸發(fā)、CO2吸收和 O 2解吸）。b，細(xì)胞流體學(xué)利用細(xì)胞類型、尺寸和相對密度的架構(gòu)設(shè)計(jì)與高分辨率3D 打印相結(jié)合，創(chuàng)建有序的多孔介質(zhì)，并在三個維度上對多相界面進(jìn)行確定性控制。c，細(xì)胞流體學(xué)可用于廣泛的多相過程。比例尺，5 毫米。

多孔介質(zhì)和毛細(xì)管流動對生物和生命系統(tǒng)至關(guān)重要，例如植物的根部需要土壤扎根以及吸收養(yǎng)分，植物葉片需要?dú)饪讈磉M(jìn)行能量交換。自然界中的多孔介質(zhì)（土壤、巖石、海綿、木材，甚至是骨骼、肺和腎臟等）用途也非常廣泛，比如過濾、分離，以及組織支架等。這也激發(fā)了研究人員對于流體過程控制這一新興領(lǐng)域的探索。

△細(xì)胞流體學(xué)中的蒸騰作用。a，由四面體細(xì)胞組成的樹狀結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)、打印并浸沒在綠色染色水的密封水庫中。持續(xù)的水輸送和蒸發(fā)直到水庫枯竭。b、設(shè)計(jì)、打印和測試具有可填充液體儲層的有序、分枝等桁架結(jié)構(gòu)，以通過熱成像進(jìn)行蒸騰冷卻。c，熱成像分析顯示在具有最大表面積與體積比的最頂層的最高傳熱率。d，紋影成像分析證實(shí)蒸發(fā)率與表面體積比成比例。比例尺，5 毫米。

研究人員提出了一個以細(xì)胞流體學(xué)為概念的模型，利用商業(yè)原型樹脂PR48和PR57（Colorado Photopolymer Solutions）和定制大面積投影微立體光刻打印機(jī)制造蜂窩流體結(jié)構(gòu)，以及用EnvisionTEC Micro Plus HD打印E-Model系列黑色樹脂。3D打印技術(shù)使研究人員在宏觀區(qū)域和體積上快速圖案化微米和納米級特征，擴(kuò)展了設(shè)計(jì)自由度：單細(xì)胞或多細(xì)胞、1D到 3D、同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)、有序和/或隨機(jī)、連續(xù)和/或不連續(xù)、開放和/或封閉、單材料或多材料、無源和/或有源、獨(dú)立或異構(gòu)集成。這或許能夠成功模擬細(xì)胞流體學(xué)應(yīng)用，包括吸收、蒸騰、混合、提取、沉積和反應(yīng)等功能。

△細(xì)胞流體中的氣體吸收。a，氣液界面的數(shù)量作為單元總數(shù)的一部分表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)依賴性。b，給定單元的氣液界面數(shù)量取決于層次結(jié)構(gòu)內(nèi)的位置。c，對于填充有等體積MEA吸附劑溶液但與具有相同吸附劑體積的液體池相比具有增加的表面積與體積比的結(jié)構(gòu)，CO2(g)隨時間的吸收。

團(tuán)隊(duì)通過將分析建模和數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)演示相結(jié)合，揭示了3D中的流體傳輸，并將解鎖以前無法獲得的結(jié)構(gòu)、機(jī)械、化學(xué)、熱和其他特性組合。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)化細(xì)胞材料的設(shè)計(jì)和制造，加上多相界面穩(wěn)態(tài)和動態(tài)行為的分析和數(shù)值預(yù)測，提供了三個維度的流體傳輸?shù)拇_定性控制。證明了細(xì)胞流體學(xué)可以改變多相傳輸和反應(yīng)過程的空間和時間控制的設(shè)計(jì)空間，可能為多相現(xiàn)象開辟了一個廣闊的新設(shè)計(jì)前沿。此外，隨著3D打印的快速發(fā)展推動了可實(shí)現(xiàn)的幾何和組成復(fù)雜性的極限，并在尺度和材料上逐漸擴(kuò)大范圍。

△可預(yù)測毛細(xì)管上升的架構(gòu)設(shè)計(jì)。a, 液固接觸周長s是 BCC 單元中液體位置的函數(shù)。b，不同氣液界面位置的接觸周長。c，從粘附-重力平衡（正方形）預(yù)測的一列細(xì)胞中的毛細(xì)管上升。d , 增加支柱直徑會減小有效孔徑，從而導(dǎo)致更高的毛細(xì)管上升。e，BCC 細(xì)胞的對稱性（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1d）增加了 3D 陣列中的粘附力，改變了力平衡（圓圈）。f，與等效相對密度的單列相比，3D 陣列中的毛細(xì)管上升更高。G, 力平衡預(yù)測（實(shí)心）與來自d和f 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（空心）一致。數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)

細(xì)胞流體學(xué)的基礎(chǔ)是構(gòu)建靜態(tài)和動態(tài)行為，經(jīng)過驗(yàn)證的正向模型作為物理引擎，為逆向設(shè)計(jì)優(yōu)化方法提供動力。高性能計(jì)算將推動多尺度蜂窩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為流體和其他特性和性能而構(gòu)建，同時考慮到制造限制。衍生式設(shè)計(jì)將快速滿足未來需求，例如電容和太陽能海水淡化，以及將CO2轉(zhuǎn)化為有價值燃料和原料的電化學(xué)反應(yīng)器，甚至是在宇宙中控制液體的輸送。低重力和零重力允許表面張力驅(qū)動的流動以更大的孔徑和更長的尺度實(shí)現(xiàn)諸如液體處理、燃料和氧化劑分配，以及診斷設(shè)備操作。

△用于連續(xù)流動和選擇性圖案化的優(yōu)先流體路徑。a，具有支柱直徑梯度的簡單立方細(xì)胞的單個通道，這有助于在所需方向上的主動流動（補(bǔ)充視頻 3）。b，以所需模式選擇性地增加相對密度會產(chǎn)生通過晶格的優(yōu)先液體通道。c，使兩股染色的水流接觸。觀察到染料在液-液界面上的擴(kuò)散。增加圖像顏色飽和度以促進(jìn)可視化（原始圖像在補(bǔ)充圖4 中提供）。d，通過控制局部支柱直徑實(shí)現(xiàn)的螺旋狀 3D 液體路徑。電子, 預(yù)編程的液體通路可以通過無電沉積實(shí)現(xiàn)選擇性金屬化。比例尺，5 毫米。

參考文獻(xiàn)：Dudukovic, N.A., Fong, E.J.,Gemeda, H.B. et al. Cellular fluidics. Nature 595, 58–65 (2021).

文獻(xiàn)地址：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03603-2