Иллюстрация «Связных многогранных фреймов» (СПФ). Авторы и права: Nature Chemical Engineering (2024 г.). DOI: 10.1038/s44286-024-00090-w
Общество в значительной степени полагается на разнообразные технологии жидкостей. Способность точно захватывать и высвобождать различные химические и биологические жидкости играет фундаментальную роль во многих областях. Долгосрочной задачей является разработка платформы, которая обеспечивает переключаемый захват и высвобождать жидкости с точным пространственным и временным контролем и точными объемами жидкости.
Недавно исследователи из Политехнического университета Гонконга (PolyU) изобрели новый метод для эффективного преодоления этой проблемы. Исследование было опубликовано в Nature Chemical Engineering, а первым автором является доктор Чжан Июань, научный сотрудник кафедры машиностроения.
Под руководством профессора Ван Лицю, профессора интеллектуальной и устойчивой энергетики Благотворительного фонда Отто Пуна, заведующего кафедрой тепло-жидкостной и энергетической инженерии факультета машиностроения Политехнического университета, исследовательская группа разработала уникальный жидкостный процессор «Связанные многогранные рамы» (CPF).
Благодаря CPF переключение между захватом и выпуском жидкости становится обратимым, программируемым и независимым от используемых многогранных рам и обрабатываемых жидкостей, что делает процессор мета-метаматериалом.
В отличие от высокоразвитой области манипулирования твердыми телами, удобная обработка жидкостей остается сложной задачей, несмотря на повсеместное распространение жидкостей, например, в здравоохранении, фармацевтической, биологической и химической промышленности.
При взаимодействии жидкостей с инструментами они часто смачивают и растекаются по твердым частицам, что препятствует полному переносу жидкости, ухудшает объемную точность и вызывает перекрестное загрязнение между образцами. Для сохранения чистоты жидкостей широко используются одноразовые пластмассы, такие как пипетки и микротрубки, что усугубляет глобальную проблему пластиковых отходов.
Обратимое переключение между захватом и выпуском является ключом к способности CPF точно обрабатывать жидкости, позволяя удерживать или сливать жидкость в сети локально, динамически и обратимо по желанию.
В CPF рамы над одностержневым соединением без пути для слива жидкости между рамами захватывают и удерживают жидкости, таким образом функционируя как захватчики.
В то время как рамки над двухстержневым соединением впитывают, но выделяют жидкости, выступая в качестве релизеров. Это происходит потому, что когда CPF поднимаются из жидкости, между двухстержневыми соединениями образуется жидкая пленка, создавая каналы между рамками, которые облегчают выделение жидкости.
Обратимое переключение между захватом и высвобождением может быть достигнуто с помощью доступных инструментов путем построения или разрыва непрерывности жидкости между кадрами. CPF предлагают универсальную платформу, которая обеспечивает множество уникальных функций, включая 3D-программируемое моделирование жидкостей, 3D-пространственно-временной контроль концентраций нескольких материалов, упаковку 3D-массивов жидкостей и масштабную манипуляцию несколькими жидкостями.
Он совместим с широким спектром жидкостей, включая, помимо прочего, водные растворы, биожидкости, гидрогели, органические растворители, полимерные растворы и масла. Таким образом, в CPF можно включать различные биоматериалы и химикаты для различных применений.
Чтобы продемонстрировать практическую полезность CPF в контролируемом высвобождении нескольких лекарств, команда профессора Вана разработала сеть CPF для 3D-бинарного жидкостного паттернирования витаминов B2 и B12.
Два витамина, представляющие два разных типа молекул лекарств, были инкапсулированы в гидрогель альгината натрия и геллановую камедь соответственно и высвобождены в водном растворе. Изменяя толщину гелевой мембраны, можно точно контролировать относительные скорости высвобождения двух «лекарств».
Традиционные ватные тампоны и флокирующие тампоны страдают от серьезных остатков образца во время их выпуска образца. CPF могут эффективно преодолеть эту проблему, поскольку их каркасная структура создает свободные интерфейсы жидкость-жидкость для высокой эффективности выпуска.
Используя вирус гриппа в качестве примера, исследовательская группа продемонстрировала превосходство CPF как инструментов для отбора проб с гораздо более высокой эффективностью выпуска. Когда концентрация вируса была низкой, CPF обнаруживали вирус, в то время как и флокирующий тампон, и ватный тампон не могли этого сделать.
Команда также продемонстрировала применение CPF в инкапсуляции биоматериалов. Взяв в качестве примера инкапсуляцию Acetobacterium, CPF демонстрируют множество преимуществ по сравнению с традиционными устройствами, в том числе облегчая разделение бактерий и продуктов реакции, упрощая процесс микробной реакции и повышая скорость использования бактерий.
Вполне возможно, что CPF также можно применять для инкапсуляции других биологических материалов для эффективного производства других ценных продуктов.
Помимо медицинских и микробиологических применений, команда профессора Вана также продемонстрировала практичность CPF для кондиционирования воздуха.
Они подготовили прототип увлажнителя промышленного масштаба, который имеет большую емкость для хранения воды и требует меньшего расхода воды, что делает их потенциально более энергоэффективными.
Фильтры CPF также позволяют крупномасштабной трехмерной дисперсии жидкости формировать большую площадь поверхности, что делает их очень полезными для поглощения газов. Идеальный процесс цикла CO2 успешно создается с помощью CPF, который включает улавливание и хранение углерода и повторное использование CO2.
Важно отметить, что каждая рама в CPF захватывает или выделяет жидкости независимо от ее базовых материалов, структур и обрабатываемых жидкостей, являясь, таким образом, инновационным мета-метаматериалом, который воплощает мечту о «точном зачерпывании воды бамбуковой корзиной».
Наличие такого жидкостного процессора устанавливает новый стандарт обработки жидкостей с управляемостью, универсальностью и высокой производительностью, вдохновляет новую область мета-метаматериалов и способствует новым научным и технологическим прорывам в различных областях.
Дополнительная информация: Июань Чжан и др., Связанные трехмерные многогранные рамы для программируемой обработки жидкостей, Nature Chemical Engineering (2024). DOI: 10.1038/s44286-024-00090-w
Информация о журнале: Nature Chemical Engineering
Предоставлено Гонконгским политехническим университетом
