3D打印助阵《Nature》细胞流体学研究

导读：美国Lawrence Livermore国家实验室研究人员在《Nature》杂志上发布论文，利用3D打印技术建立细胞流体模型，模拟多项流动、运输和反应过程。

△细胞流体学：一个受自然启发的、基于单位细胞的平台。a, 植物水分输送是一个多步骤过程，涉及多孔介质（水分在土壤中的分布）、毛细管流动（从根部到叶片的输送）和气液输送（叶片中的蒸发、CO2吸收和 O 2解吸）。b，细胞流体学利用细胞类型、尺寸和相对密度的架构设计与高分辨率3D 打印相结合，创建有序的多孔介质，并在三个维度上对多相界面进行确定性控制。c，细胞流体学可用于广泛的多相过程。比例尺，5 毫米。

多孔介质和毛细管流动对生物和生命系统至关重要，例如植物的根部需要土壤扎根以及吸收养分，植物叶片需要气孔来进行能量交换。自然界中的多孔介质（土壤、岩石、海绵、木材，甚至是骨骼、肺和肾脏等）用途也非常广泛，比如过滤、分离，以及组织支架等。这也激发了研究人员对于流体过程控制这一新兴领域的探索。

△细胞流体学中的蒸腾作用。a，由四面体细胞组成的树状结构被设计、打印并浸没在绿色染色水的密封水库中。持续的水输送和蒸发直到水库枯竭。b、设计、打印和测试具有可填充液体储层的有序、分枝等桁架结构，以通过热成像进行蒸腾冷却。c，热成像分析显示在具有最大表面积与体积比的最顶层的最高传热率。d，纹影成像分析证实蒸发率与表面体积比成比例。比例尺，5 毫米。

研究人员提出了一个以细胞流体学为概念的模型，利用商业原型树脂PR48和PR57（Colorado Photopolymer Solutions）和定制大面积投影微立体光刻打印机制造蜂窝流体结构，以及用EnvisionTEC Micro Plus HD打印E-Model系列黑色树脂。3D打印技术使研究人员在宏观区域和体积上快速图案化微米和纳米级特征，扩展了设计自由度：单细胞或多细胞、1D到 3D、同质或异质结构、有序和/或随机、连续和/或不连续、开放和/或封闭、单材料或多材料、无源和/或有源、独立或异构集成。这或许能够成功模拟细胞流体学应用，包括吸收、蒸腾、混合、提取、沉积和反应等功能。

△细胞流体中的气体吸收。a，气液界面的数量作为单元总数的一部分表现出结构依赖性。b，给定单元的气液界面数量取决于层次结构内的位置。c，对于填充有等体积MEA吸附剂溶液但与具有相同吸附剂体积的液体池相比具有增加的表面积与体积比的结构，CO2(g)随时间的吸收。

团队通过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、热和其他特性组合。结果表明，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，提供了三个维度的流体传输的确定性控制。证明了细胞流体学可以改变多相传输和反应过程的空间和时间控制的设计空间，可能为多相现象开辟了一个广阔的新设计前沿。此外，随着3D打印的快速发展推动了可实现的几何和组成复杂性的极限，并在尺度和材料上逐渐扩大范围。

△可预测毛细管上升的架构设计。a, 液固接触周长s是 BCC 单元中液体位置的函数。b，不同气液界面位置的接触周长。c，从粘附-重力平衡（正方形）预测的一列细胞中的毛细管上升。d , 增加支柱直径会减小有效孔径，从而导致更高的毛细管上升。e，BCC 细胞的对称性（扩展数据图1d）增加了 3D 阵列中的粘附力，改变了力平衡（圆圈）。f，与等效相对密度的单列相比，3D 阵列中的毛细管上升更高。G, 力平衡预测（实心）与来自d和f 的实验数据（空心）一致。数据为平均值±标

细胞流体学的基础是构建静态和动态行为，经过验证的正向模型作为物理引擎，为逆向设计优化方法提供动力。高性能计算将推动多尺度蜂窝结构的设计，为流体和其他特性和性能而构建，同时考虑到制造限制。衍生式设计将快速满足未来需求，例如电容和太阳能海水淡化，以及将CO2转化为有价值燃料和原料的电化学反应器，甚至是在宇宙中控制液体的输送。低重力和零重力允许表面张力驱动的流动以更大的孔径和更长的尺度实现诸如液体处理、燃料和氧化剂分配，以及诊断设备操作。

△用于连续流动和选择性图案化的优先流体路径。a，具有支柱直径梯度的简单立方细胞的单个通道，这有助于在所需方向上的主动流动（补充视频 3）。b，以所需模式选择性地增加相对密度会产生通过晶格的优先液体通道。c，使两股染色的水流接触。观察到染料在液-液界面上的扩散。增加图像颜色饱和度以促进可视化（原始图像在补充图4 中提供）。d，通过控制局部支柱直径实现的螺旋状 3D 液体路径。电子, 预编程的液体通路可以通过无电沉积实现选择性金属化。比例尺，5 毫米。

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

文献地址：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03603-2