大自然乃啓發人類工程設計的靈感泉源。香港大學(港大)工程學院的研究團隊從血管網絡獲得靈感,開發出一種名為 VasFluidics的新型流體系統。
這新型的人工合成智能流體系統由工程學院機械工程系岑浩璋教授帶領的微流控與軟物質研究團隊開發,具備復刻血管組織功能的潛力,有望進一步發展成為具有複雜流體操縱功能的仿生平台,作生物醫學應用。
研究成果近日於科學期刊《自然通訊》 (Nature Communications) 發表,論文標題為「Vascular network-inspired fluidic system (VasFluidics) with spatially functionalisable membranous walls 」。
「作為一種高度集成的智能流體系統,血管網絡對血液成分的調控非常精密,是人工微流控系統難以匹敵的,它啓發我們思考如何設計新的流體系統。」論文的第一作者余雅鳳說。
在血管網絡的「引導」下,岑教授與團隊開發出可功能化管壁的流體系統VasFluidics。
類似於血管壁,VasFluidics 通道的管壁薄而柔軟,能夠以物理或化學方式改變液體成分。VasFluidics展現了流體處理方面的功能,其通道壁可與兩側流體產生反應,且反應發生的空間位置可通過人爲控制,使流體成份隨空間產生可控變化。
研究團隊利用VasFluidics,模擬了生物體内葡萄糖的吸收和新陳代謝的過程。他們在通道不同的區域設置微量溶液或進行酶修飾,部分通道允許特定分子物理穿過通道壁,部分管道區域通過酶反應改變液體化學成分。
「傳統設備的通道壁通常不具有滲透性,無法像真正的組織一樣與通道內外的液體『交流』來實現液體調控。VasFluidics 與傳統流體系統截然不同。」余雅鳳解釋道。
岑教授研究團隊在液體界面自組裝研究領域取得的科研成果,為構築 VasFluidics奠定了理論和實驗基礎。團隊結合了3D打印技術和軟材料自組裝技術,將一種液體打印到另一種不相溶的液體中,在液 - 液界面上組裝軟膜,搭建VasFluidics新型流體系統。
「VasFluidics具有很高的功能擴展性,例如,該系統的微管結構和生物墨水方面的設計仍有很大的改進空間。」論文的共同作者之一、西南交通大學醫學院副教授潘益説。
「具體來説,它有望與細胞工程相結合用於開發人造血管,並進一步應用於生物醫學應用,如器官芯片和人造組織。」潘博士補充說,他曾是岑教授課題組的學生。
「這項工作除了具有科學價值和潛在生物醫學延伸應用外,還可以觸發我們進一步的思考。人體血管組織是一個高效運輸系統,經過數百萬年的進化已經日臻完善。該研究工作亦證明,人工合成系統具備復刻血管組織功能的潛力,標誌着我們在模仿和使用自然界最精確、最高效系統的超凡能力方面,取得實質性進展。」研究的另一位共同作者、岑教授研究團隊的研究助理教授郭偉博士說。
岑教授團隊一直致力於前沿的微流體技術,力求通過精確生物液體操控,實現高效生物液體樣本分析。研究團隊在微流控生物醫學應用層面已取得一定成果,但不想受限於現有傳統微流控裝置。在追求更高效生物流體處理和分析的同時,研究團隊意識到需要設計和製造新型的流體設備。
「我們的長遠目標是利用微流體技術,開發高靈敏度人體體液分析對策,進而輔助精準醫學防治疾病,造福人類健康。」岑浩璋教授説。
岑教授認為這新型流體系統有望進一步發展成為具有複雜流體操縱功能的仿生平台,說:「VasFluidics有望在生物醫學應用方面進一步發展。例如,用於生物流體力學的體外建模、生物分子合成、藥物篩選以及芯片上器官的疾病建模。」
文章連結︰https://www.nature.com/articles/s41467-024-45781-3
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