re最新封面：科學家提出「細胞流體學」全新概念，可程式設計設計精確控制，應用前景巨大

大資料文摘授權轉載自學術頭條

作者：庫珀

編審：寇建超

多孔介質和毛細流動在自然界中普遍存在，對生物和生命系統的功能至關重要，最典型的例子比如植物。

植物根系包裹在土壤中，土壤是一種多孔介質，深層的土壤中有地下水水分。土壤中的顆粒堆積和液固介面面積影響著養分向周圍液相的溶解，通過植物根系吸收的水分和養分沿著木質部組織輸送到植物的每個葉片。

葉子上有氣孔，有利於氣體、液體與周圍環境的交換，蒸騰過程是由葉片的水分蒸發驅動的，它為水分的連續毛細管輸送創造了一個潛在的梯度。此外，光合作用也是通過葉片介面進行的。

以此為靈感，來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家們開發了一種技術平臺：「細胞流體學」（Cellular fluidics）。他們基於 3D 列印方法，將毫米級立方體組裝成控制毛細管作用的三維結構，實現可程式設計流體流動和一系列流體過程的建模，比如對多相流、傳輸和反應過程的確定性控制，而這些結構中的流動能夠通過單元類型、大小和相對密度的架構設計來 「程式設計」，可以在實驗室和工業過程中實現相關工程結構。7 月 1 日，這項研究論文登上 Nature 雜誌封面。

天然存在的多孔介質非常豐富，從隨機到有序，例如土壤、岩石、海綿、木材、骨骼、肺和腎臟，相關合成物在商業和技術上都很重要，而且數量眾多，例如紙張和吸收劑、機織和非織造材料、陶瓷和混凝土、過濾器和分離介質、組織支架和人造器官等。

然而，由於人造模型、材料和製造方法的限制，自然的複雜性和功能性，特別是在毛細流動、運輸和反應方面，仍然是無與倫比的，傳統微流控技術的平面和封閉性限制了多相過程的能力。

近年來，許多科學團隊的工作都集中在創造細胞微體系材料上，這些材料具有以前無法獲得的結構、機械、熱、光學和其他功能特性，然而，這些努力集中在單相流動通過封閉結構。迄今為止，開孔結構材料在控制多相輸送和氣液固介面方面的全部潛力尚未實現。

此次，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家們提出了一種全新的概念，細胞流體學，這是一個三維流體學平臺，建立在多尺度、基於「細胞」單元的結構基礎上，具有確定的結構、孔隙率、表面性質，因此可以控制氣 - 液 - 固介面和流體流動，可以很容易地擴展到廣泛的應用領域。

圖｜細胞流體學概念示意圖（來源：Nature）

液體毛細流動是由液體內部的內聚力和液體與固體之間的粘附力驅動的，在這裡，研究人員的目的是將這些概念擴展到有序開孔結構中。加性製造方法能夠設計和製造這些單位細胞的微體系格子。每個微型單元的結構、排列和特徵尺寸可以用來控制有效孔徑和形狀，調節毛細作用。

利用顯微立體成像技術，研究人員列印並測試了由已知單元類型組成的各種架構結構，即簡單立方、體心立方（BCC）和等規細胞結構等。流動動力學引入了額外的複雜性，可以通過數值模擬獲得，從而為主動流動應用提供更深入的理解。

在非穩態條件下，氣液介面具有複雜的位置相關曲率，曲率在毫秒級演化。研究人員利用高速攝像和數值模擬的方法研究了流動動力學，通過相場模型來跟蹤介面，在三維空間中求解 Navier-Stokes 方程（一組描述像液體和空氣這樣的流體物質的方程）。

以實驗中的結構設計為例，在基底細胞癌細胞的初始填充期間，液體首先滲入由對角支柱形成的四方稜錐體，當支柱之間的距離向頂點減小時，液體沿著中心軸加速。這種優先填充一直持續到單元中點處的節點。慣性效應在實驗上被觀察到，當體流快速減速時，氣液介面振盪，隨著液體重新加速或停止流動，慣性效應逐漸減弱。

圖｜數值模擬和高速攝像揭示了動力學（來源：Nature）

為了理解多細胞結構中的流動，研究人員模擬了由五個堆疊的細胞單元體組成的柱內液體的流動。前進的氣液介面的形狀和演化是複雜的，具有動態形成的凹凸波動特徵，垂直方向上的流動速度被視為快速的、按扣狀填充行為，當受到重力作用的液體體積增加時，最終在達到力平衡時停止。

無序多孔介質由於其隨機性很難進行計算模擬，這通常會施加非週期性邊界條件，具有挑戰性的網格劃分方案，並且由於依賴於平均特徵和均勻化大區域，總體上捕獲局部效應的能力降低。研究人員表示，這些模擬是在忽略實驗非理想性的簡化條件下進行的，但未來的計算工作可以更好地解決這些複雜性以提高一致性。

為了展示細胞流體學的潛在應用，研究人員探索了兩個多相過程：蒸騰和吸收。植物的蒸騰作用是水分和養分持續輸送的驅動力。

研究人員表示，這個實驗的目的不是要精確模擬真實植物的功能，而是要展示設計具有開放介面和連續液體分佈的分支結構潛力。他們設想了許多未來機會，比如細胞流體學可以用來設計自然啟發的、層次分明的開放細胞流體輸送網路，這些網路能廣泛地適用於新興領域，如人工器官和工程生物材料。

圖｜細胞流體中的蒸騰作用（來源：Nature）

將這個簡單的概念擴展到蒸騰冷卻效應，研究人員創建了一個更有序的對應物，該對應物由連線到可填充儲層的等溫線細胞分支網路組成。

整個結構置於熱源下，利用熱成像技術研究了三種以水為液體介質的蒸騰冷卻情況：（1）溼結構和空儲層；(2）溼潤構造和充填儲液；（3）幹固體結構和儲層。

結果發現，蒸發率與溫度梯度和每體積氣液介面的數量有關，從結構底部到頂部以 1:2:4 的比例增加，在頂部的較高冷卻持續，直到蒸發率超過液體補充率。

圖｜細胞流體中的氣體吸收（來源：Nature）

利用細胞流體最大限度地擴大氣液介面面積可以改善氣體吸收過程，如二氧化碳捕獲。長期以來，需要提高二氧化碳吸收率，以匹配工業過程的排放率。通過增加介面面積來改善傳質的方法有溼壁柱、規整填料和微膠囊吸附劑。

為了調整二氧化碳吸收率，研究人員創建了等壓晶格，這些晶格具有相等的液體吸附劑體積，但具有不同的氣液介面面積。例如，單個堆棧的頂部單元格中的結構有五個暴露面，這有助於將二氧化碳氣體輸送到液體吸附劑中。正如預期的那樣，吸收率會隨著表面與體積比的增加而增加，並且遠大於等效體積池。

分層結構中連續且相互滲透的充氣和充液區域，可以實現流體的共流以及液體吸附劑的再生或再迴圈，展示了這項技術為連續多相輸送和反應交換的潛在能力。

細胞流體的廣泛潛力是通過實現主動驅動的連續流動來實現的。通過控制細胞的類型、大小和相對密度，可以將流體流動的優先路徑程式設計到特殊結構中。

當液體從一個細胞移動到下一個細胞時，觀察到典型的卡扣狀填充行為，路徑包括拆分和重新組合流的連線點。不過研究人員注意到，在封閉系統中，完整的路徑永遠不會完全填滿，因為被困的氣穴將保留不連續性。

為了展示一些潛在的用途，研究人員展示了通過液 - 液介面的傳輸，能夠有效實現連續流動和選擇性圖案的優先流體路徑。

圖｜三維結構中的選擇性流體流動（來源：Nature）

細胞流體學方法的一個優點是在一個體積內平行化許多通道，產生高介面區域，用於傳輸驅動過程，如氣液感測、液液萃取和被動混合等，而設計 3D 液體流動路徑的能力，則指向了更多其他可能性。

建立在一個基於細胞的平臺上，用於規定的液體和氣體輸送，複雜的細胞流體配置通過新興的 3D 列印技術得以實現，該技術可以在宏觀區域和體積上快速形成微觀和納米尺度的特徵，併為可伸縮的高通量生產提供新思路。

這類新材料具有許多可能的設計自由度：它可以是單細胞或多細胞、一維到三維、同質或異質結構、有序或隨機、連續或不連續、開放或封閉、單材料或多材料、被動或主動、獨立或異質整合。因此，細胞流體學的應用領域同樣廣闊，具有吸收、蒸騰、混合、萃取、沉積和反應等功能。

將分析建模和數值模擬與實驗演示相結合，可以揭示三維流體傳輸，並將開啟以前無法獲得的結構、機械、化學、熱和其他功能特性組合的大門。因此，細胞流體學可以為多相現象開闢一個廣闊的新設計領域。此外，隨著 3D 列印技術的快速發展，高效能運算將推動多尺度細胞結構的設計，幾何和合成的複雜性也在不斷提高，相關研究還有更大的擴展機會。

放眼未來，研究人員還設想了一個重要的用例，例如在太空中控制液體的輸送，其中低重力和零重力條件允許表面張力驅動的流動在更大的孔徑和長度範圍內發生，從而實現液體處理、燃料和氧化劑分配以及診斷裝置操作等應用。

參考資料：