科学家经常从他们周围的自然界汲取灵感。据麦姆斯咨询报道，在近期Nature刊登的一篇论文中，Dudukovic等人便从大自然高效执行物质多相过程的能力中获得启发，提出了一种细胞流体学技术平台，构建了许多具有复杂内部结构的立方积木，利用毛细作用引导微流体流动。
研究人员利用该平台构建了多种微流控结构，证明它们可以模拟重要的多相过程，例如植物的蒸腾作用——植物通过根系吸收水分，然后将水分输送到树枝尖端的叶片，最后通过叶片蒸发水分。这种细胞流体学平台还能构建图案化的多材料结构，包括导电和绝缘区域交替构建的结构。
毛细作用可以驱动许多过程，例如润湿头发以及眼睛流泪等。它可以使液体在小空间中自驱流动（例如纸巾纤维中的液体扩散，或者毛细管采血等），而不需要类似微泵的外力驱动。
因此，毛细作用在研究小体积流体在亚毫米尺度流动的微流控领域已有应用。毛细作用已经成为许多微流控技术的基础，例如家庭妊娠检测试纸以及便携式葡萄糖监测仪等。通过将工程、化学和物理技术相结合，很多这类微型“芯片实验室”器件已经被开发出来，并在广泛领域获得应用。
传统的微流控系统是封闭的，即流体被完全封闭限制在微通道内，需要外部泵来驱动流体流动，并且，只能通过密封的端口进入。因此，研究人员设想了更容易处理的开放式微流控结构。在这种开放式微流控器件中，流体的至少一个边界暴露在空气中，从而形成一个气-液界面。
Dudukovic等研究人员基于开放式微流控理论的发展，提出了一种完善的“单位晶格”概念，利用单位晶格可以构建复杂的三维结构。单位晶格，即晶胞，通常被认为是构成晶体的最基本、最小的重复几何单元。Dudukovic等研究人员开发的这种单位晶格，同样被用作其微流控平台的最小构建模块。这些单位晶格都是毫米级的立方体，其内部空间开放于周围大气。
从蒸腾作用获取灵感的单位晶格概念，结合毛细作用驱动微流控系统中的液体流动
这些单位晶格中的空间由其中的支柱构建，并部分起到支撑作用，以防止单位晶格坍塌。通过调整支柱的形状和大小，研究人员可以控制单位晶格内的毛细作用。此外，当单位晶格耦合在一起时，它们的组合毛细作用可以形成一个可控的微流控流通路径。
实验结果证明，通过这些单位晶格构建的数十毫米高的树状结构，能够实现类似蒸腾作用的多相过程。如果这种树状结构由同样大小的中空单位晶格构成，由于没有那些内部支柱，来自底部的水就无法自驱动运输的很高。
树叶或土壤等天然结构中液体的流动取决于这些结构中“基本单元”的排列组合。因此，单位晶格可以模拟这种液体流动，按照天然结构的排列方式来组合。
当将分子固定在流体中的内聚力，与导致流体粘附在固体表面（例如毛细管壁）的粘附力一起作用时，就会产生毛细作用，从而驱动液体沿给定方向运动。当流体垂直向上流动时，重力会对抗这种毛细作用。
通过考虑这些力之间的相互作用，可以利用数学模型模拟这些简单系统中的毛细流动。Dudukovic及其同事开发的单位晶格中的毛细作用比较复杂，他们推导出了一个理论模型，描述了单位晶格支柱的直径和耦合在一起的晶格数量，如何影响流体系统的整体毛细作用。
利用目前微流控领域常用的制造方法，很难实现Dudukovic等研究人员设计的这种开放结构的制造。因此，他们选择使用3D打印来逐层构建单位晶格。这是一个很有吸引力的选择，他们可以随时构想设计，利用计算机辅助设计程序绘制模型，然后将设计好的文件上传3D打印机，最后只需按一下“开始”键就可以完成原型制作。
一天的时间就可以完成一款原型设计的制作。此外，3D打印可以打印的材料范围很广，例如从用于诊断器械的硬树脂，到用于组织工程的生物相容性凝胶等。不过，在许多应用的结构中，往往需要用到多种材料。
Dudukovic等人开发的细胞流体学平台为这个问题提供了一种解决方案。通过调整三维结构中单位晶格的大小、形状和密度，可以控制和引导微流体沿选定的路径流动。这提供了一种利用金属涂敷结构中特定单位晶格的方法：含有适当催化剂和试剂的溶液沿特定路径通道输送，随后当整个结构浸入电镀溶液时，只有该路径中的单位晶格才会被金属化。
微流体在三维结构中的选择性流动
基于单位晶格的流体系统之前已有报道，Dudukovic及其同事的研究工作的一个局限是他们报道的是大量已知的物理现象。不过，本研究的一个关键进展是它大幅提高了我们对耦合单位晶格结构中流体流动的理解。
我们期待这种细胞流体学平台在研究未知物理原理或制造新型多材料结构方面的应用前景。该技术平台为进一步研究开辟了令人兴奋的机遇，是开放式微流控研究工具的重要补充。
延伸阅读：
《微流控初创公司调研》
