微流控技术在再生医学、微电子和环境科学等许多科学领域已经变得越来越重要。然而，传统的微加工技术在规模化和复杂网络的构建方面仍然存在局限。当需要构建更复杂3D微脉管网络时，这些障碍就会变得更加棘手。
据麦姆斯咨询介绍，日本九州大学（Kyushu University）的研究人员开发出了一种新颖的便捷制造技术，能够轻松构建复杂的3D微脉管网络。令人惊讶的是，他们采用的工具是植物和真菌。
植物培养法制备3D微脉管网络
研究小组利用基于玻璃纳米颗粒（二氧化硅）和纤维素的粘合剂开发了一种“土壤”介质，然后让植物和真菌在其中生根。接着，移除植物后在玻璃中留下由微米级通道组成的复杂3D微脉管网络，这些微脉管通道便是原本植物根部的位置。
图中展示了玻璃中的复杂微脉管网络，由较大的黑麦草根与真菌菌丝共生构建，展示了在玻璃结构中可以同时形成不同尺度的微通道
这种新方法还可用于观察并保存通常难以在土壤中研究的3D生物结构，为植物和真菌生物学研究带来新的机遇。这项研究成果已经以“Replicating biological 3D root and hyphal networks in transparent glass chips”为题发表在Scientific Reports期刊上。
“这项研究旨在克服传统微加工技术在构建复杂3D微流控结构方面的局限性。我们实验室的重点是生物仿生学，尝试通过研究自然界，并人工复制此类结构来解决工程问题。”领导这项研究的九州大学工程学院教授Fujio Tsumori解释说，“还有什么比植物根系和真菌菌丝更能体现自然界微流控技术的呢？因此，我们着手开发了这种方法，利用这些生物的自然生长，构建优化的微流控网络。”
研究人员首先研制出一种类似“土壤”的混合物，供植物在其中生长。他们将生长介质与直径小于1 μm的玻璃纳米颗粒结合在一起，用羟丙基甲基纤维素作为粘合剂，而不是自然的泥土。然后，他们在这种“土壤”混合物中播下种子，等待植物生根发芽。在确认植物成功生长后，再高温烘烤“土壤”，最后留下保留原本根部形状的微流控通道。
“这个过程被称为烧结，它将细小的颗粒聚集在一起，形成更坚固的状态，类似于陶瓷制造中的粉末冶金。”Tsumori继续说，“但在我们的这项研究中，这一过程是由植物本身完成的。”
他们的方法能够复制植物主根的复杂生物结构，主根直径可达150 μm，根毛直径约为8 μm。对其他生物的测试表明，这种方法甚至可以复制真菌的根部结构，即菌丝。
由黑麦（左）和米麴霉（右）构建的富含复杂3D微脉管通道的玻璃结构，根毛状通道（左）直径约10 μm，菌丝通道（右）直径约2 μm
Tsumori称：“菌丝更细，直径可小至1-2 μm。这比一缕蜘蛛丝还要细。”
研究小组希望，他们由生物启发的新型微流控制造技术，能够应用于科学和工程的各个领域，从而开发出更高效的微反应器、先进的热交换器和创新的组织工程支架。
玻璃芯片中主通道的流体流动测试
Tsumori总结说：“在生物科学领域，这项技术为研究植物根系和真菌网络的复杂3D结构提供了一种独特工具，可以促进我们对土壤生态系统的理解。”
总结来说，研究人员提出的这种源自生物启发的方法，将生物系统的自主结构优化与陶瓷/玻璃的理想材料特性相结合。通过这种协同作用，可以制造出优化的3D微脉管网络，有望对很多领域带来潜在影响。其分层结构直接模仿生物循环系统，在热交换和催化反应等领域具有广阔的应用前景。这些结构的层次性可以通过优化流动分布和表面积来提高这些过程的效率。此外，通过调整烧结工艺，使基质保持一定程度的孔隙率，而不是完全致密化，可以创造出能够进行分布式压力过滤的结构。这些潜在的应用表明，这种“绿色”制造方法可以用来解决工程难题，在自然设计原理和技术创新之间架起一座桥梁。未来的进一步研究将针对特定的工程应用优化这些结构，并探索这些生物启发设计可以提供独特优势的新领域。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-024-72333-y
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