3Dプリントが自然の細胞流体研究を支援

この投稿は Spectacled Bear によって 2021-7-9 08:39 に最後に編集されました。

はじめに：米国ローレンス・リバモア国立研究所の研究者らは、3D プリント技術を使用して細胞流体モデルを構築し、複数の流れ、輸送、反応プロセスをシミュレートする論文を Nature 誌に発表しました。
△細胞流体工学：自然にヒントを得たユニットセルベースのプラットフォーム。 a、植物の水輸送は、多孔質媒体（土壌中の水の分布）、毛細管現象（根から葉への輸送）、および気液輸送（葉における蒸発、CO2吸収、O2脱着）を含む多段階のプロセスです。 b、細胞流体工学は、細胞の種類、サイズ、相対密度の建築設計と高解像度の 3D 印刷を組み合わせて、3 次元の多相界面を決定論的に制御する秩序立った多孔質媒体を作成します。 c、セル流体は、さまざまな多相プロセスに使用できます。スケールバー、5 mm。
多孔質媒体と毛細管流動は、生物と生命システムにとって不可欠です。たとえば、植物の根は根を張り栄養分を吸収するために土壌を必要とし、植物の葉はエネルギー交換のために気孔を必要とします。自然界の多孔質媒体（土、岩、スポンジ、木材、さらには骨、肺、腎臓）には、ろ過、分離、組織の足場など、幅広い用途があります。これはまた、研究者たちに流体プロセス制御という新興分野を探求するきっかけを与えました。
△細胞流体力学における蒸散。 a、四面体セルで構成された樹木のような構造が設計され、印刷され、緑色に染めた水の密閉された貯水槽に浸されました。貯水池が枯渇するまで、水の供給と蒸発は続きます。 b. 熱画像による蒸散冷却用の液体充填可能なリザーバーを備えた、整列した分岐した等角トラス構造を設計、印刷、テストします。 c、サーモグラフィー分析では、表面積と体積の比率が最も大きい最上層で熱伝達率が最も高いことが示されています。 d、シュリーレン画像解析により、蒸発速度は表面積と体積の比に比例することが確認されました。スケールバー、5 mm。
研究者らは、市販の試作樹脂 PR48 および PR57 (Colorado Photopolymer Solutions) とカスタム大面積投影マイクロステレオリソグラフィープリンターを使用して細胞流体構造を作製し、さらに E-Model Series Black 樹脂を使用した EnvisionTEC Micro Plus HD 印刷を使用して、細胞流体の概念モデルを提案しました。 3D 印刷技術により、研究者はマクロスケールの領域や体積にわたってマイクロスケールおよびナノスケールの特徴を迅速にパターン化できるため、単一セルまたは複数セル、1D から 3D、均質または異質の構造、秩序立ったまたはランダム、連続的または不連続、オープンまたはクローズド、単一材料または複数材料、パッシブまたはアクティブ、スタンドアロンまたは異質統合など、設計の自由度が広がります。これにより、吸収、蒸発、混合、抽出、沈着、反応などの機能を含む細胞流体アプリケーションのシミュレーションを成功させることができるようになります。
△ 細胞液へのガス吸収。 a、気液界面の数がセル総数に占める割合は構造依存性を示しています。 b、特定のセルの気液界面の数は、階層内の位置によって異なります。 c、等量のMEA吸着剤溶液で満たされた構造における時間の経過に伴うCO2(g)吸収量。ただし、同じ吸着剤体積の液体セルと比較して、表面積と体積の比が増加しています。
解析モデリングと数値シミュレーションを実験デモンストレーションと組み合わせることで、チームは 3D での流体輸送を明らかにし、これまでアクセスできなかった構造、機械、化学、熱、その他の特性の組み合わせを解明します。結果は、構造化細胞材料の設計と製造を、多相界面の定常状態と動的挙動の解析と数値予測と組み合わせることで、3 次元での流体輸送の決定論的制御が可能になることを示しています。私たちは、細胞流体工学が多相輸送および反応プロセスの空間的および時間的制御の設計空間を変革し、多相現象の広大な新しい設計のフロンティアを切り開く可能性があることを実証しています。さらに、3D プリントの急速な進歩により、実現可能な幾何学的および構成的複雑さの限界が押し上げられ、規模と材料の面で範囲が徐々に拡大しています。
△毛細管現象を予測できる建築設計。 a、BCCセル内の液体の位置の関数としての液体-固体接触周囲長s。 b、さまざまなガス-液体界面位置での接触周囲長。 c、接着-重力平衡から予測される細胞列内の毛細管上昇（四角）。 d 、柱の直径を大きくすると有効細孔サイズが小さくなり、毛細管上昇が高くなります。 e、BCC セルの対称性 (拡張データ図 1d) により、3D アレイ内の接着力が高まり、力のバランスが変わります (円)。 f、同等の相対密度を持つ単一の列と比較すると、3D アレイでは毛細管上昇が高くなります。 G、力のバランス予測（実線）は、d および f（白抜き）の実験データと一致しています。データは平均 ± 標準偏差です。細胞流体の基礎は静的および動的動作を構築することであり、検証済みのフォワードモデルは逆設計最適化アプローチを強化する物理エンジンとして機能します。高性能コンピューティングにより、製造上の制約を考慮しながら、流体やその他の特性とパフォーマンスに合わせて構築されたマルチスケールのセル構造の設計が進歩します。ジェネレーティブデザインは、電気容量や太陽光による淡水化、CO2 を貴重な燃料や原料に変換する電気化学リアクター、さらには宇宙での液体の制御された輸送など、将来のニーズにすぐに対応します。低重力および無重力により、液体処理、燃料および酸化剤の分配、診断装置の動作などの用途で、表面張力駆動の流れをより大きな開口部とより長いスケールで使用できるようになります。
△連続フローと選択的パターン形成のための優先流体経路。 a、支柱直径に勾配がある単純な立方体セルの単一チャネル。これにより、目的の方向への能動的な流れが促進されます (補足ビデオ 3)。 b、所望のパターンで相対密度を選択的に増加させることにより、格子を通る液体の優先的な通過が生まれます。 c. 2 つの染色された水の流れを接触させます。液体-液体界面での染料の拡散が観察されました。視覚化を容易にするために画像の色の彩度を上げました（元の画像は補足図4に示されています）。 d、局所的な柱の直径を制御することで実現されるらせん状の 3D 液体経路。電子的には、事前にプログラムされた液体経路を無電解めっきによって選択的に金属化することができます。スケールバー、5 mm。

参考文献: Dudukovic, NA, Fong, EJ, Gemeda, HB et al. Cellular fluidics. Nature 595, 58–65 (2021). 参考文献: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03603-2

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