前沿透视：Nature-细胞流体学-多尺度细胞结构设计的开孔型多孔介质材料

多孔介质和毛细流动普遍存在于植物根系和叶片。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Eric Duoss和同事开发了一种由小方格（或称“unit cell”）拼凑而成的仿生物平台：“细胞流体学”（Cellular fluidics）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”。

液体在该组装系统内的转运通过受控的毛细管作用实现。文中描述了一个树状结构，能持续不断地将“根部”蓄水池的液体转运到“树枝”，再从树枝上蒸发掉，借此模拟蒸腾作用。Nature封面图片重新构想了这一输送过程，并用艺术再现图表现了基于细胞流体学的仿生物脉管系统。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。

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。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。

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

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。

文献链接：doi.org/10.1038/s41586-021-03603-2

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/4WIxFYA8iOHr6K75nfTSVg