Nature封面:“细胞流体学”全新概念

2021
07/09

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生物世界
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多孔介质和毛细流动在自然界中普遍存在,对生物和生命系统的功能至关重要,最典型的例子比如植物。

植物根系包裹在土壤中,土壤是一种多孔介质,深层的土壤中有地下水水分。土壤中的颗粒堆积和液固界面面积影响着养分向周围液相的溶解,通过植物根系吸收的水分和养分沿着木质部组织输送到植物的每个叶片。

叶子上有气孔,有利于气体、液体与周围环境的交换,蒸腾过程是由叶片的水分蒸发驱动的,它为水分的连续毛细管输送创造了一个潜在的梯度。此外,光合作用也是通过叶片界面进行的。

以此为灵感,来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们开发了一种技术平台“细胞流体学” (Cellular fluidics) 。他们基于 3D 打印方法,将毫米级立方体组装成控制毛细管作用的三维结构,实现可编程流体流动和一系列流体过程的建模,比如对多相流、传输和反应过程的确定性控制,而这些结构中的流动能够通过单元类型、大小和相对密度的架构设计来 “编程”,可以在实验室和工业过程中实现相关工程结构。

6 月 30 日,这项研究论文登上了 Nature 杂志封面。

通过结构设计改变流体运动
天然存在的多孔介质非常丰富,从随机到有序,例如土壤、岩石、海绵、木材、骨骼、肺和肾脏,相关合成物在商业和技术上都很重要,而且数量众多,例如纸张和吸收剂、机织和非织造材料、陶瓷和混凝土、过滤器和分离介质、组织支架和人造器官等。

然而,由于人造模型、材料和制造方法的限制,自然的复杂性和功能性,特别是在毛细流动、运输和反应方面,仍然是无与伦比的,传统微流控技术的平面和封闭性限制了多相过程的能力。

近年来,许多科学团队的工作都集中在创造细胞微体系材料上,这些材料具有以前无法获得的结构、机械、热、光学和其他功能特性,然而,这些努力集中在单相流动通过封闭结构。迄今为止,开孔结构材料在控制多相输送和气液固界面方面的全部潜力尚未实现。

此次,来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们提出了一种全新的概念,细胞流体学,这是一个三维流体学平台,建立在多尺度、基于“细胞”单元的结构基础上,具有确定的结构、孔隙率、表面性质,因此可以控制气 - 液 - 固界面和流体流动,可以很容易地扩展到广泛的应用领域。

图|细胞流体学概念示意图(来源:Nature)

液体毛细流动是由液体内部的内聚力和液体与固体之间的粘附力驱动的,在这里,研究人员的目的是将这些概念扩展到有序开孔结构中。加性制造方法能够设计和制造这些单位细胞的微体系格子。每个微型单元的结构、排列和特征尺寸可以用来控制有效孔径和形状,调节毛细作用。

利用显微立体成像技术,研究人员打印并测试了由已知单元类型组成的各种架构结构,即简单立方、体心立方(BCC)和等规细胞结构等。流动动力学引入了额外的复杂性,可以通过数值模拟获得,从而为主动流动应用提供更深入的理解。

在非稳态条件下,气液界面具有复杂的位置相关曲率,曲率在毫秒级演化。研究人员利用高速摄像和数值模拟的方法研究了流动动力学,通过相场模型来跟踪界面,在三维空间中求解 Navier-Stokes 方程(一组描述像液体和空气这样的流体物质的方程)。

以实验中的结构设计为例,在基底细胞癌细胞的初始填充期间,液体首先渗入由对角支柱形成的四方棱锥体,当支柱之间的距离向顶点减小时,液体沿着中心轴加速。这种优先填充一直持续到单元中点处的节点。惯性效应在实验上被观察到,当体流快速减速时,气液界面振荡,随着液体重新加速或停止流动,惯性效应逐渐减弱。

图|数值模拟和高速摄像揭示了动力学(来源:Nature)

为了理解多细胞结构中的流动,研究人员模拟了由五个堆叠的细胞单元体组成的柱内液体的流动。前进的气液界面的形状和演化是复杂的,具有动态形成的凹凸波动特征,垂直方向上的流动速度被视为快速的、按扣状填充行为,当受到重力作用的液体体积增加时,最终在达到力平衡时停止。

无序多孔介质由于其随机性很难进行计算模拟,这通常会施加非周期性边界条件,具有挑战性的网格划分方案,并且由于依赖于平均特征和均匀化大区域,总体上捕获局部效应的能力降低。研究人员表示,这些模拟是在忽略实验非理想性的简化条件下进行的,但未来的计算工作可以更好地解决这些复杂性以提高一致性。
蒸腾和吸收效应观察
为了展示细胞流体学的潜在应用,研究人员探索了两个多相过程:蒸腾和吸收。植物的蒸腾作用是水分和养分持续输送的驱动力。

研究人员表示,这个实验的目的不是要精确模拟真实植物的功能,而是要展示设计具有开放界面和连续液体分布的分支结构潜力。他们设想了许多未来机会,比如细胞流体学可以用来设计自然启发的、层次分明的开放细胞流体输送网络,这些网络能广泛地适用于新兴领域,如人工器官和工程生物材料。

图|细胞流体中的蒸腾作用(来源:Nature)

将这个简单的概念扩展到蒸腾冷却效应,研究人员创建了一个更有序的对应物,该对应物由连接到可填充储层的等温线细胞分支网络组成。

整个结构置于热源下,利用热成像技术研究了三种以水为液体介质的蒸腾冷却情况:(1)湿结构和空储层;(2)湿润构造和充填储液;(3)干固体结构和储层。

结果发现,蒸发率与温度梯度和每体积气液界面的数量有关,从结构底部到顶部以 1:2:4 的比例增加,在顶部的较高冷却持续,直到蒸发率超过液体补充率。

图|细胞流体中的气体吸收(来源:Nature

利用细胞流体最大限度地扩大气液界面面积可以改善气体吸收过程,如二氧化碳捕获。长期以来,需要提高二氧化碳吸收率,以匹配工业过程的排放率。通过增加界面面积来改善传质的方法有湿壁柱、规整填料和微胶囊吸附剂。

为了调整二氧化碳吸收率,研究人员创建了等压晶格,这些晶格具有相等的液体吸附剂体积,但具有不同的气液界面面积。例如,单个堆栈的顶部单元格中的结构有五个暴露面,这有助于将二氧化碳气体输送到液体吸附剂中。正如预期的那样,吸收率会随着表面与体积比的增加而增加,并且远大于等效体积池。

分层结构中连续且相互渗透的充气和充液区域,可以实现流体的共流以及液体吸附剂的再生或再循环,展示了这项技术为连续多相输送和反应交换的潜在能力。
精确驱动液体流动 “画图”
细胞流体的广泛潜力是通过实现主动驱动的连续流动来实现的。通过控制细胞的类型、大小和相对密度,可以将流体流动的优先路径编程到特殊结构中。

当液体从一个细胞移动到下一个细胞时,观察到典型的卡扣状填充行为,路径包括拆分和重新组合流的连接点。不过研究人员注意到,在封闭系统中,完整的路径永远不会完全填满,因为被困的气穴将保留不连续性。

为了展示一些潜在的用途,研究人员展示了通过液 - 液界面的传输,能够有效实现连续流动和选择性图案的优先流体路径。

图|三维结构中的选择性流体流动(来源:Nature)

细胞流体学方法的一个优点是在一个体积内平行化许多通道,产生高界面区域,用于传输驱动过程,如气液传感、液液萃取和被动混合等,而设计 3D 液体流动路径的能力,则指向了更多其他可能性。

建立在一个基于细胞的平台上,用于规定的液体和气体输送,复杂的细胞流体配置通过新兴的 3D 打印技术得以实现,该技术可以在宏观区域和体积上快速形成微观和纳米尺度的特征,并为可伸缩的高通量生产提供新思路。

这类新材料具有许多可能的设计自由度:它可以是单细胞或多细胞、一维到三维、同质或异质结构、有序或随机、连续或不连续、开放或封闭、单材料或多材料、被动或主动、独立或异质集成。因此,细胞流体学的应用领域同样广阔,具有吸收、蒸腾、混合、萃取、沉积和反应等功能。

将分析建模和数值模拟与实验演示相结合,可以揭示三维流体传输,并将打开以前无法获得的结构、机械、化学、热和其他功能特性组合的大门。因此,细胞流体学可以为多相现象开辟一个广阔的新设计领域。此外,随着 3D 打印技术的快速发展,高性能计算将推动多尺度细胞结构的设计,几何和合成的复杂性也在不断提高,相关研究还有更大的扩展机会。

放眼未来,研究人员还设想了一个重要的用例,例如在太空中控制液体的输送,其中低重力和零重力条件允许表面张力驱动的流动在更大的孔径和长度范围内发生,从而实现液体处理、燃料和氧化剂分配以及诊断设备操作等应用。

参考资料:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03603-2
https://www.nature.com/articles/d41586-021-01708-2



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关键词:
流体学,细胞,概念,液体,结构,气液,材料

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