3D打印助陣《Nature》細胞流體學研究

導讀：美國Lawrence Livermore國家實驗室研究人員在《Nature》雜志上發(fā)布論文，利用3D打印技術建立細胞流體模型，模擬多項流動、運輸和反應過程。

△細胞流體學：一個受自然啟發(fā)的、基于單位細胞的平臺。a, 植物水分輸送是一個多步驟過程，涉及多孔介質（水分在土壤中的分布）、毛細管流動（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，細胞流體學利用細胞類型、尺寸和相對密度的架構設計與高分辨率3D 打印相結合，創(chuàng)建有序的多孔介質，并在三個維度上對多相界面進行確定性控制。c，細胞流體學可用于廣泛的多相過程。比例尺，5 毫米。

多孔介質和毛細管流動對生物和生命系統(tǒng)至關重要，例如植物的根部需要土壤扎根以及吸收養(yǎng)分，植物葉片需要氣孔來進行能量交換。自然界中的多孔介質（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域的探索。

△細胞流體學中的蒸騰作用。a，由四面體細胞組成的樹狀結構被設計、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、設計、打印和測試具有可填充液體儲層的有序、分枝等桁架結構，以通過熱成像進行蒸騰冷卻。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胞流體學為概念的模型，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制造蜂窩流體結構，以及用EnvisionTEC Micro Plus HD打印E-Model系列黑色樹脂。3D打印技術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，擴展了設計自由度：單細胞或多細胞、1D到 3D、同質或異質結構、有序和/或隨機、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、獨立或異構集成。這或許能夠成功模擬細胞流體學應用，包括吸收、蒸騰、混合、提取、沉積和反應等功能。

△細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)出結構依賴性。b，給定單元的氣液界面數(shù)量取決于層次結構內的位置。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構，CO2(g)隨時間的吸收。

團隊通過將分析建模和數(shù)值模擬與實驗演示相結合，揭示了3D中的流體傳輸，并將解鎖以前無法獲得的結構、機械、化學、熱和其他特性組合。結果表明，結構化細胞材料的設計和制造，加上多相界面穩(wěn)態(tài)和動態(tài)行為的分析和數(shù)值預測，提供了三個維度的流體傳輸?shù)拇_定性控制。證明了細胞流體學可以改變多相傳輸和反應過程的空間和時間控制的設計空間，可能為多相現(xiàn)象開辟了一個廣闊的新設計前沿。此外，隨著3D打印的快速發(fā)展推動了可實現(xiàn)的幾何和組成復雜性的極限，并在尺度和材料上逐漸擴大范圍。

△可預測毛細管上升的架構設計。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）預測的一列細胞中的毛細管上升。d , 增加支柱直徑會減小有效孔徑，從而導致更高的毛細管上升。e，BCC 細胞的對稱性（擴展數(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 陣列中的毛細管上升更高。G, 力平衡預測（實心）與來自d和f 的實驗數(shù)據(jù)（空心）一致。數(shù)據(jù)為平均值±標

細胞流體學的基礎是構建靜態(tài)和動態(tài)行為，經過驗證的正向模型作為物理引擎，為逆向設計優(yōu)化方法提供動力。高性能計算將推動多尺度蜂窩結構的設計，為流體和其他特性和性能而構建，同時考慮到制造限制。衍生式設計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轉化為有價值燃料和原料的電化學反應器，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動的流動以更大的孔徑和更長的尺度實現(xiàn)諸如液體處理、燃料和氧化劑分配，以及診斷設備操作。

△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胞的單個通道，這有助于在所需方向上的主動流動（補充視頻 3）。b，以所需模式選擇性地增加相對密度會產生通過晶格的優(yōu)先液體通道。c，使兩股染色的水流接觸。觀察到染料在液-液界面上的擴散。增加圖像顏色飽和度以促進可視化（原始圖像在補充圖4 中提供）。d，通過控制局部支柱直徑實現(xiàn)的螺旋狀 3D 液體路徑。電子, 預編程的液體通路可以通過無電沉積實現(xiàn)選擇性金屬化。比例尺，5 毫米。

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

文獻地址：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03603-2